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A-Level Química

Consejos

La Química A-Level (9701) es realmente tres asignaturas que deben comunicarse entre sí: física (energía, equilibrio, velocidades de reacción, electroquímica), inorgánica (periodicidad, Grupo 2, Grupo 17, elementos de transición) y orgánica, que evoluciona desde los alcanos hacia una larga cadena de mecanismos y finaliza con RMN y espectrometría de masas.

La mayoría de las marcas perdidas aquí no se deben a química difícil. Proviienen de condiciones omitidas, ecuaciones desbalanceadas, símbolos de estado ausentes y respuestas orgánicas que proporcionan un producto pero no las flechas de mecanismo por las que paga el baremo.

La orgánica necesita un tipo diferente de repaso: dibujar un mapa de reacciones a mano y seguir ampliándolo. El examen te pide pasar de un grupo funcional a otro, no recitar cada reacción individualmente.

  • 1

    Estructura atómica

    Ver lección
    1.1

    Qué está compuesto un átomo

    Syllabus
    1. entender que los átomos están formados mayoritariamente por espacio vacío que rodea a un núcleo muy pequeño y denso, el cual contiene protones y neutrones; los electrones se encuentran en capas dentro del espacio vacío alrededor del núcleo
    2. identificar y describir protones, neutrones y electrones en términos de sus cargas relativas y masas relativas
    3. comprender los términos número atómico y número de protones; masa y número de nucleones
    4. describir la distribución de la masa y la carga dentro de un átomo
    5. describir el comportamiento de haces de protones, neutrones y electrones que se mueven a la misma velocidad en un campo eléctrico
    6. determinar los números de protones, neutrones y electrones presentes tanto en átomos como en iones, dados el número atómico o de protones, la masa o número de nucleones, y la carga
    7. enunciado y explicar cualitativamente las variaciones en el radio atómico y el radio iónico a lo largo de un periodo y hacia abajo en un grupo

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Imagen de microscopía de túnel de barrido de átomos
    Un microscopio de túnel de barrido puede imágenes de átomos individuales.

    Todo está hecho de átomos 原子. Un átomo es en su mayoría espacio vacío. En su centro hay un pequeño y pesado núcleo 原子核. El núcleo contiene dos tipos de partículas: protones 质子和 neutrones 中子. Alrededor del núcleo, en el espacio vacío, se mueven los electrones 电子. Los electrones permanecen en capas electrónicas 壳层 — capas a distancias fijas del núcleo.

    El núcleo es muy pequeño pero contiene casi toda la masa. Los electrones ocupan casi todo el espacio pero tienen casi ninguna masa.

    Un átomo con un núcleo central de protones y neutrones, rodeado por electrones en dos capas electrónicas
    Un átomo es en su mayoría espacio vacío: los protones y neutrones están en el pequeño núcleo central, mientras que los electrones se mueven en capas electrónicas a su alrededor

    Carga relativa y masa relativa

    Comparamos las tres partículas utilizando la carga relativa 相对电荷 y la masa relativa 相对质量. Estos son números simples, no unidades reales.

    Partícula Carga relativa Masa relativa
    protón $+1$ $1$
    neutrón $0$ $1$
    electrón $-1$ $\tfrac{1}{1836}$ (aproximadamente $0$)

    Un protón y un neutrón tienen casi la misma masa. Un electrón es aproximadamente 1836 veces más ligero. El protón es positivo, el electrón es negativo y el neutrón no tiene carga; es neutro 中性.

    Número atómico y número másico

    Dos números describen el núcleo:

    • el número atómico 质子数 (también llamado número atómico 原子序数), símbolo $Z$ — el número de protones.
    • el número másico 核子数 (también llamado número másico 质量数), símbolo $A$ — el número total de protones y neutrones. Tanto los protones como los neutrones son nucleones 核子.

    Por lo tanto, el número de neutrones es $A - Z$.

    Contar partículas en un átomo o ion

    Para un átomo neutro, el número de electrones es igual al número de protones, que es igual a $Z$.

    Un ion 离子 es un átomo que ha perdido o ganado electrones, por lo que tiene una carga:

    • un ion positivo tiene menos electrones que protones.
    • un ion negativo tiene más electrones que protones.

    Ejemplo: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ tiene $13$ protones, $27 - 13 = 14$ neutrones, y $13 - 3 = 10$ electrones (perdió 3 electrones para convertirse en $3+$).

    Cómo se distribuyen la masa y la carga

    Casi toda la masa se encuentra en el núcleo, porque los protones y neutrones son pesados y los electrones son muy ligeros. Toda la carga positiva está en el núcleo (los protones). La carga negativa se distribuye en las capas electrónicas (los electrones).

    Haz de partículas en un campo eléctrico

    Imagina haces de protones, neutrones y electrones moviéndose a la misma velocidad hacia un campo eléctrico 电场 entre dos placas cargadas:

    • el haz de protones se desvía hacia la placa negativa (los protones son positivos).
    • el haz de electrones se desvía en dirección opuesta, hacia la placa positiva. Se desvía mucho más, porque el electrón es mucho más ligero — la misma fuerza produce una mayor desviación 偏转 en una masa menor.
    • el haz de neutrones pasa recto. No tiene carga, así que el campo no ejerce fuerza sobre él.
    Tres haces entre placas cargadas: el electrón se desvía bruscamente hacia la placa positiva, el protón se desvía suavemente hacia la placa negativa, el neutrón pasa recto
    En un campo eléctrico, el protón se desvía hacia la placa $-$ y el electrón se desvía en sentido opuesto y mucho más (es mucho más ligero); el neutrón pasa recto

    Radio atómico e iónico

    El radio atómico 原子半径 es el tamaño de un átomo. El radio iónico 离子半径 es el tamaño de un ion.

    A lo largo de un período 周期 (de izquierda a derecha), el radio atómico se hace más pequeño. La carga nuclear 核电荷 (la atracción de los protones) aumenta, pero los electrones entran en la misma capa externa, por lo que el efecto pantalla 屏蔽 por las capas internas permanece aproximadamente igual. La atracción más fuerte atrae la capa externa hacia adentro.

    Hacia abajo en un grupo 族 (de arriba hacia abajo), el radio atómico se hace más grande. Cada paso hacia abajo añade una nueva capa, por lo que los electrones externos están más alejados y sienten más efecto pantalla del núcleo.

    Una fila de átomos que se hacen más pequeños a lo largo de un período, y una columna de átomos que se hacen más grandes hacia abajo en un grupo
    A lo largo de un período, los átomos se encogen (mayor atracción nuclear en la misma capa externa); hacia abajo en un grupo, crecen (cada paso añade una capa)

    Para iones:

    • un ion positivo (catión 阳离子) es más pequeño que su átomo. Ha perdido su capa externa, y los electrones restantes sienten una atracción más fuerte cada uno.
    • un ion negativo (anión 阴离子) es más grande que su átomo. Ha ganado electrones, por lo que hay más repulsión 排斥 entre los electrones.
    • entre iones que tienen el mismo número de electrones, el que tiene más protones es más pequeño.
    Explorar

    Explora el átomo

    Toca cada parte. Un núcleo pequeño y denso de protones y neutrones contiene la masa; los ligeros electrones orbitan alrededor en capas.

    Explorar

    Tendencias de radio atómico e iónico

    El radio atómico disminuye a lo largo de un periodo (el aumento de la carga nuclear atrae la misma capa hacia adentro) y aumenta hacia abajo en un grupo (se añade una capa cada vez). Cruza al Periodo 3 para verlo.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
    proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ 中子 zhōng zǐ
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    nucleon/ˈnjuːklɪən/ 核子 hé zǐ
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
    deflection/dɪˈflekʃn/ 偏转 piān zhuǎn
    atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 原子半径 yuán zi bàn jìng
    ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/ 离子半径 lí zi bàn jìng
    1.2

    Isótopos

    Syllabus
    1. definir el término isótopo en términos de números de protones y neutrones
    2. comprender la notación $_y^x\text{A}$ para isótopos, donde $x$ es el número másico o nucleónico y $y$ es el número atómico o de protones
    3. indicar que los isótopos del mismo elemento tienen las mismas propiedades químicas y explicar por qué
    4. indicar que los isótopos del mismo elemento tienen diferentes propiedades físicas, limitándose a la masa y la densidad

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los isótopos 同位素 son átomos del mismo elemento con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. Por lo tanto, los isótopos tienen el mismo número atómico $Z$ pero diferente número másico $A$.

    Dos isótopos de cloro — ambos tienen 17 protones pero uno tiene 18 neutrones y el otro 20
    Dos isótopos de cloro: mismos protones, diferentes neutrones

    Escribimos un isótopo como $^{A}_{Z}\text{X}$: el número másico $A$ arriba, el número atómico $Z$ abajo. Por ejemplo, el cloro tiene dos isótopos principales, $^{35}_{17}\text{Cl}$ y $^{37}_{17}\text{Cl}$.

    Mismas propiedades químicas

    Las propiedades químicas 化学性质 dependen de los electrones, especialmente los electrones externos. Los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo número de electrones dispuestos de la misma manera. Por lo tanto, reaccionan exactamente de la misma manera — tienen las mismas propiedades químicas.

    Diferentes propiedades físicas

    Algunas propiedades físicas 物理性质 dependen de la masa, por lo que difieren entre isótopos. Un isótopo más pesado tiene más neutrones, por lo tanto más masa, y por consiguiente una mayor densidad 密度. (El programa de estudios limita esta diferencia a la masa y la densidad.)

    Explorar

    Laboratorio de isótopos

    Clasificar los hechos sobre isótopos según lo que cambia y lo que permanece igual.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
    chemical properties/ˈkemɪkl ˈprɒpətiz/ 化学性质 huà xué xìng zhì
    physical properties/ˈfɪzɪkl ˈprɒpətiz/ 物理性质 wù lǐ xìng zhì
    density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù
    principal quantum number/ˈprɪnsɪpl ˈkwɒntəm ˈnʌmbə/ 主量子数 zhǔ liàng zǐ shù
    sub-shell/sʌb ʃel/ 亚层 yà céng
    1.3

    Electrones, niveles de energía y orbitales

    Syllabus
    1. comprender los términos: capas, subcapas y orbitales; número cuántico principal (n); estado fundamental, limitado a la configuración electrónica
    2. describir el número de orbitales que componen las subcapas s, p y d, y el número de electrones que pueden ocupar las subcapas s, p y d
    3. describir el orden de energía creciente de las subcapas dentro de las primeras tres capas y las subcapas 4s y 4p
    4. describir las configuraciones electrónicas para incluir el número de electrones en cada capa, subcapa y orbital
    5. explicar las configuraciones electrónicas en términos de la energía de los electrones y la repulsión interelectrónica
    6. determinar la configuración electrónica de átomos e iones dados el número atómico o número de protones y la carga, utilizando cualquiera de las siguientes convenciones: ej. para Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (configuración electrónica completa) o [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (configuración electrónica abreviada)
    7. comprender y utilizar la notación de electrones en cajas
    8. describir y dibujar las formas de los orbitales s y p
    9. describir un radical libre como una especie con uno o más electrones desapareados

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El espectro de emisión visible del hidrógeno: cuatro líneas brillantes sobre fondo negro
    El hidrógeno emite luz solo en longitudes de onda discretas y características — su espectro de emisión lineal.

    Los electrones están dispuestos en capas electrónicas, subcapas y orbitales.

    Capas electrónicas y número cuántico principal

    Cada capa está etiquetada por el número cuántico principal 主量子数 $n = 1, 2, 3, \dots$ Un $n$ mayor significa una capa más lejos del núcleo y con mayor energía.

    Subcapas y orbitales

    Cada capa se divide en subcapas 亚层, nombradas s, p y d. Cada subcapa está construida a partir de orbitales 轨道. Un orbital es una pequeña región que puede contener hasta dos electrones.

    Subcapa Número de orbitales Máximo de electrones
    s 1 2
    p 3 6
    d 5 10

    Por lo tanto, una subcapa s contiene 2 electrones, una subcapa p contiene 6, y una subcapa d contiene 10.

    Orden de energía creciente

    Los electrones llenan primero la subcapa de menor energía. Para las primeras tres capas, más 4s y 4p, el orden de energía creciente es:

    $$1\text{s} < 2\text{s} < 2\text{p} < 3\text{s} < 3\text{p} < 4\text{s} < 3\text{d} < 4\text{p}$$

    Nota la sorpresa: 4s tiene ligeramente menos energía que 3d, por lo que 4s se llena primero.

    Diagrama de niveles de energía de las subcapas desde 1s hasta 4p, con 4s dibujado justo debajo de 3d
    Las subcapas en orden de energía creciente. 4s se encuentra justo debajo de 3d, por lo que 4s se llena primero

    Configuración electrónica

    La configuración electrónica 电子排布 enumera cuántos electrones hay en cada subcapa. La disposición de menor energía es el estado fundamental 基态.

    Para el hierro (Fe, $Z = 26$):

    $$1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^6\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

    Puedes escribir una abreviatura usando el gas noble 稀有气体 más cercano entre corchetes:

    $$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

    Aquí $[\text{Ar}]$ representa la configuración completa del argón.

    Para iones, añades o quitas electrones. Una regla clave: cuando un metal de transición forma un ion positivo, pierde sus electrones 4s antes que sus electrones 3d. Así que $\text{Fe}^{3+}$ es $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

    Electrones en cajas

    La notación de electrones en cajas 电子在盒子里 dibuja cada orbital como una caja y cada electrón como una flecha. Dos electrones en el mismo orbital deben apuntar en direcciones opuestas, porque cada electrón tiene una propiedad llamada spin 自旋, y un orbital compartido necesita spins opuestos.

    Dentro de una subcapa, los electrones llenan orbitales vacíos uno a la vez, con flechas paralelas, antes de que cualquier orbital reciba un segundo electrón. Dispersarse de esta manera mantiene a los electrones separados y reduce la repulsión entre ellos.

    Diagrama de cajas para nitrógeno: cajas 1s y 2s llenas con flechas opuestas apareadas, y tres cajas 2p cada una con una flecha hacia arriba
    Electrones en cajas para nitrógeno ($1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3$): los electrones apareados apuntan en direcciones opuestas, y los orbitales 2p se llenan individualmente con spins paralelos

    Por qué la configuración tiene esta forma

    Los electrones se llenan de baja energía a alta energía porque eso da el átomo más estable (de menor energía). Dentro de una subcapa, se dispersan individualmente primero para reducir la repulsión entre los electrones negativos.

    Formas de orbitales s y p

    • un orbital s es una esfera 球形 centrada en el núcleo.
    • un orbital p tiene dos lóbulos, como una mancuerna, apuntando a lo largo de un eje. Los tres orbitales p apuntan en tres direcciones perpendiculares (los ejes $x$, $y$ y $z$).
    A la izquierda un orbital s esférico con el núcleo en su centro; a la derecha tres orbitales p en forma de mancuerna apuntando a lo largo de los ejes x, y y z
    Un orbital s es una esfera; cada orbital p es una mancuerna, y los tres orbitales p apuntan a lo largo de los ejes $x$, $y$ y $z$

    Radicales libres

    Un radical libre 自由基 es una especie con uno o más electrones desapareados 未成对电子. Los radicales libres son muy reactivos.

    Explorar

    Llenando las capas electrónicas

    Cambia el número atómico Z y observa cómo los electrones llenan las capas (2, 8, 8, …) — el patrón que construye la Tabla Periódica.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    shell/ʃel/ 壳层 ké céng
    relative charge/ˈrelətɪv tʃɑːdʒ/ 相对电荷 xiāng duì diàn hè
    relative mass/ˈrelətɪv mæs/ 相对质量 xiāng duì zhì liàng
    neutral/ˈnjuːtrəl/ 中性 zhōng xìng
    proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ 质子数 zhì zǐ shù
    atomic number/əˈtɒmɪk ˈnʌmbə/ 原子序数 yuán zi xù shù
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 核子数 hé zǐ shù
    mass number/mæs ˈnʌmbə/ 质量数 zhì liàng shù
    orbital/ˈɔːbɪtl/ 轨道 guǐ dào
    electronic configuration/ɪlekˈtrɒnɪk kənˌfɪɡjəˈreɪʃn/ 电子排布 diàn zi pái bù
    ground state/ɡraʊnd steɪt/ 基态 jī tài
    noble gas/ˈnəʊbl ɡæs/ 稀有气体 xī yǒu qì tǐ
    spin/spɪn/ 自旋 zì xuán
    sphere/sfɪə/ 球形 qiú xíng
    free radical/friː ˈrædɪkl/ 自由基 zì yóu jī
    unpaired electrons/ʌnˈpeəd ɪˈlektrɒnz/ 未成对电子 wèi chéng duì diàn zi
    first ionisation energy/fɜːst ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒi/ 第一电离能 dì yī diàn lí néng
    successive ionisation energies/səkˈsesɪv ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒiz/ 逐级电离能 zhú jí diàn lí néng
    spin-pair repulsion/spɪn peə rɪˈpʌlʃn/ 自旋成对排斥 zì xuán chéng duì pái chì
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    1.4

    Energía de ionización

    Syllabus
    1. definir y utilizar el término energía de ionización primera, IE
    2. construir ecuaciones que representen las energías de ionización primera, segunda y sucesivas
    3. identificar y explicar las tendencias en las energías de ionización a través de un periodo y hacia abajo en un grupo de la Tabla Periódica
    4. identificar y explicar la variación en las energías de ionización sucesivas de un elemento
    5. comprender que las energías de ionización se deben a la atracción entre el núcleo y el electrón externo
    6. explicar los factores que influyen en las energías de ionización de los elementos en términos de carga nuclear, radio atómico/iónico, apantallamiento por capas internas y subcapas, y repulsión por pares de espín
    7. deducir las configuraciones electrónicas de los elementos utilizando datos de energía de ionización sucesiva
    8. deducir la posición de un elemento en la Tabla Periódica utilizando datos de energía de ionización sucesiva

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Primera energía de ionización

    La primera energía de ionización 第一电离能 (IE) es la energía necesaria para extraer un electrón de cada átomo en un mol de átomos gaseosos, formando un mol de iones gaseosos $+1$.

    Usamos átomos gaseosos para que no haya fuerzas entre las partículas. La unidad es $\text{kJ mol}^{-1}$. Como ecuación, para un elemento X:

    $$\text{X}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

    El $(\text{g})$ indica que la especie es un gas.

    Energías de ionización sucesivas

    Después de extraer un electrón, puedes extraer otro. La segunda energía de ionización extrae un electrón de cada ion $+1$:

    $$\text{X}^{+}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{2+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

    Puedes seguir así. Estas son las energías de ionización sucesivas 逐级电离能. Cada una es mayor que la anterior, porque cada electrón es arrancado de un ion más positivo.

    De qué depende la energía de ionización

    La energía de ionización proviene de la atracción entre el núcleo positivo y el electrón externo. Tres factores principales determinan qué tan fuerte es esa atracción:

    • carga nuclear: más protones atraen los electrones con más fuerza, por lo que la energía de ionización es mayor.
    • radio atómico: cuanto más lejos esté el electrón externo del núcleo, más débil es la atracción, por lo que la energía de ionización es menor.
    • efecto pantalla: las capas internas bloquean parte de la atracción sobre el electrón externo. Más capas internas significan más efecto pantalla y una energía de ionización menor.

    También existe un efecto menor — repulsión por apareamiento de spin 自旋成对排斥. Cuando dos electrones comparten un orbital, se empujan ligeramente entre sí, por lo que uno es más fácil de extraer.

    Tendencias en la primera energía de ionización

    A lo largo de un período, la primera energía de ionización generalmente aumenta. La carga nuclear crece mientras el efecto pantalla permanece aproximadamente igual, por lo que los electrones externos están retenidos con más firmeza.

    Hacia abajo en un grupo, la primera energía de ionización disminuye. Los elementos inferiores tienen más capas, por lo que hay más efecto pantalla y un radio mayor, y el electrón externo es más fácil de extraer.

    Las caídas son evidencia de las subcapas

    El aumento a lo largo de un período no es suave. Aparecen dos pequeñas caídas, y debes ser capaz de explicar ambas:

    • Grupo 2 al Grupo 13 (por ejemplo Mg a Al): el electrón extraído del Al proviene de una subcapa 3p, que tiene más energía que la subcapa 3s completa en Mg. Un electrón 3p es más fácil de extraer, por lo que el valor cae.
    • Grupo 15 al Grupo 16 (por ejemplo P a S): en S, un orbital 3p ahora contiene un par de electrones. La repulsión por apareamiento de spin hace que uno de ellos sea más fácil de extraer, por lo que el valor cae.

    Estas caídas son evidencia de que existen las subcapas.

    Un gráfico de la primera energía de ionización a lo largo del Período 3 ascendiendo en general pero descendiendo en aluminio y azufre
    La primera energía de ionización asciende a lo largo del Período 3 pero desciende en Al y en S — evidencia de que existen las subcapas

    Las energías de ionización sucesivas son evidencia de las capas electrónicas

    Si graficas las energías de ionización sucesivas de un mismo elemento, los valores aumentan, con saltos grandes en ciertos puntos. Un salto grande ocurre cuando el siguiente electrón debe provenir de una capa más cercana al núcleo.

    Cuenta cuántos electrones salen fácilmente antes del primer salto grande — ese es el número de electrones en la capa externa, lo cual te dice el grupo al que pertenece el elemento. También puedes usar el patrón para determinar la configuración electrónica y la posición del elemento en la Tabla Periódica.

    Un gráfico de escala logarítmica de las once energías de ionización sucesivas del sodio, con dos saltos grandes que dividen los puntos en grupos de 1, 8 y 2
    Energías de ionización sucesivas del sodio (escala logarítmica): los saltos grandes revelan la estructura de capas $2,8,1$
    Electrones extraídos antes del primer salto grande Grupo
    1 Grupo 1
    2 Grupo 2
    3 Grupo 13

    Ejemplo resuelto. Las primeras cinco energías de ionización sucesivas de un elemento son $590$, $1150$, $4940$, $6480$ y $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. ¿A qué grupo pertenece? Busca el salto grande, no el número más grande. Del 1º al 2º el valor se duplica aproximadamente, lo cual es un aumento normal. Del 2º ($1150$) al 3º ($4940$) se cuadruplica más que eso: ese es el salto. Por lo tanto, dos electrones salen fácilmente antes de él, la capa externa contiene 2 electrones, y el elemento pertenece al Grupo 2. Cuenta los electrones extraídos antes del salto, y explica el salto adecuadamente: el siguiente electrón está siendo arrancado de una capa más cerca del núcleo, no de un elemento diferente.

    Explorar

    La tendencia de la energía de ionización — y sus caídas

    La primera energía de ionización generalmente aumenta a lo largo de un período, pero hay CAÍDAS donde comienza una nueva subcapa p y donde se forma por primera vez un par de orbitales p. Avanza para encontrar las dos caídas características.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
    nuclear charge/ˈnjuːklɪə tʃɑːdʒ/ 核电荷 hé diàn hè
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 屏蔽 píng bì
    group/ɡruːp/ 族 zú
    cation/ˈkætaɪən/ 阳离子 yáng lí zi
    anion/ˈænaɪən/ 阴离子 yīn lí zi
    repulsion/rɪˈpʌlʃn/ 排斥 pái chì
    1.4

    Consejos para el examen

    • Define isótopos completamente: átomos del mismo elemento con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones — el esquema de corrección requiere ambas partes.
    • 4s se llena antes que 3d, pero los electrones se extraen de 4s primero al formar iones, por lo que $\text{Fe}^{3+}$ es $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (no $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
    • En las energías de ionización sucesivas, un salto grande marca el inicio de una nueva (interna) capa — usa los saltos para colocar el elemento en su grupo.
    • Explica cada tendencia de energía de ionización con los mismos tres factores: carga nuclear, distancia y efecto pantalla, más los efectos de subcapa para las pequeñas caídas.
    • Aprende la razón exacta por la cual la primera energía de ionización del oxígeno está por debajo de la del nitrógeno: los electrones apareados 2p del oxígeno se repelen, por lo que uno es más fácil de extraer.
  • 2

    Átomos, moléculas y estequiometría

    Ver lección
    2.1

    Masas relativas de átomos y moléculas

    Syllabus
    1. Definir la unidad de masa atómica unificada como una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12.
    2. Definir la masa atómica relativa, $A_r$, la masa isotópica relativa, la masa molecular relativa, $M_r$, y la masa de fórmula relativa en términos de la unidad de masa atómica unificada.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los átomos 原子 son demasiado ligeros para pesar en gramos, así que comparamos cada masa con una estándar. La estándar es la unidad de masa atómica unificada 统一原子质量单位 (símbolo u), definida como exactamente una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12.

    Usando esta unidad, expresamos las masas como números simples:

    • la masa atómica relativa $A_r$ de un elemento es la masa promedio de sus átomos comparada con $\tfrac{1}{12}$ de un átomo de carbono-12. Es un promedio de todos los isótopos, ponderado por la frecuencia de cada uno.
    • la masa isotópica relativa es la masa de un átomo de un isótopo individual, comparada con $\tfrac{1}{12}$ de un átomo de carbono-12.
    • la masa molecular relativa $M_r$ de una molécula es la suma de las masas atómicas relativas de todos sus átomos.
    • la masa fórmula relativa es el mismo concepto para una sustancia que no está compuesta por moléculas (como un compuesto iónico). Sumar las masas atómicas relativas indicadas en la fórmula.
    Una barra mostrando que el cloro es 75% cloro-35 y 25% cloro-37, con el cálculo de promedio ponderado dando una masa atómica relativa de 35.5
    La masa atómica relativa es un promedio ponderado: los dos isótopos del cloro (75% ³⁵Cl, 25% ³⁷Cl) promedian a Aᵣ = 35.5

    Para encontrar $A_r$ a partir de datos de isótopos, multiplique cada masa isotópica por su porcentaje, sume estos valores y divida por 100.

    Worked example. Chlorine is $75\%$ ${}^{35}\text{Cl}$ y $25\%$ ${}^{37}\text{Cl}$. Find its relative atomic mass.

    $$A_r = \frac{(75 \times 35) + (25 \times 37)}{100} = \frac{2625 + 925}{100} = 35.5.$$

    Ejemplo resuelto. Un espectrómetro de masas muestra que el cobre es $69.2\%$ ${}^{63}\text{Cu}$ y $30.8\%$ ${}^{65}\text{Cu}$. Encuentre su masa atómica relativa.

    $$A_r = \frac{(69.2 \times 63) + (30.8 \times 65)}{100} = \frac{4359.6 + 2002.0}{100} = 63.6.$$
    Explorar

    Laboratorio de masa relativa

    masa atómica relativa = media ponderada

    Cambie la abundancia de los isótopos y observe cómo se mueve la media ponderada.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi
    unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ 统一原子质量单位 tǒng yī yuán zi zhì liàng dān wèi
    relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ 相对原子质量 xiāng duì yuán zi zhì liàng
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
    relative isotopic mass/ˈrelətɪv ˌaɪsəˈtɒpɪk mæs/ 相对同位素质量 xiāng duì tóng wèi sù zhì liàng
    relative molecular mass/ˈrelətɪv məˈlekjʊlə mæs/ 相对分子质量 xiāng duì fèn zǐ zhì liàng
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ
    relative formula mass/ˈrelətɪv ˈfɔːmjʊlə mæs/ 相对式量 xiāng duì shì liàng
    mole/məʊl/ 摩尔 mó ěr
    Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 阿伏伽德罗常量 ā fú gā dé luó cháng liàng
    2.2

    El mol y la constante de Avogadro

    Syllabus
    1. definir y utilizar el término mol en términos de la constante de Avogadro

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    A modern electronic laboratory balance
    Una balanza electrónica moderna mide la masa — la base de los cálculos de mol.

    Los químicos cuentan partículas en grupos llamados moles, igual que contamos huevos en docenas.

    Un mol 摩尔 (símbolo mol) es la cantidad de sustancia que contiene el mismo número de partículas que átomos hay en exactamente 12 g de carbono-12. Ese número es la constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量:

    $$N_A = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$$

    Así que un mol de cualquier cosa contiene $6.02 \times 10^{23}$ partículas. Las partículas pueden ser átomos, moléculas o iones — siempre diga cuáles.

    La masa de un mol en gramos es igual a la masa relativa ($A_r$ o $M_r$). Esta es la masa molar 摩尔质量, con unidades $\text{g mol}^{-1}$. La ecuación clave es:

    $$n = \frac{m}{M}$$

    donde $n$ es la cantidad en moles, $m$ es la masa en gramos, y $M$ es la masa molar.

    Worked example. How many moles are in $8.0\ \text{g}$ of methane, $\text{CH}_4$? ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$.)

    The molar mass is $M = 12 + 4(1) = 16\ \text{g mol}^{-1}$, so

    $$n = \frac{m}{M} = \frac{8.0}{16} = 0.50\ \text{mol}.$$
    Una caja central de moles conectada por flechas dobles a masa, número de partículas, volumen de gas y concentración de solución, cada flecha etiquetada con su conversión
    El mol es el centro de cada cálculo de cantidad: convierta a masa ($n=m/M$), partículas ($\times N_A$), volumen de gas ($n=V/24$) o solución ($n=cV$)
    Explorar

    Laboratorio de masa molar

    n = m / M

    Cambiar la masa y ver cómo escalan los moles a través de la masa molar.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    molar mass/ˈməʊlə mæs/ 摩尔质量 mó ěr zhì liàng
    2.3

    Fórmulas

    Syllabus
    1. escribir fórmulas de compuestos iónicos a partir de las cargas iónicas y los números de oxidación (indicados por un numeral romano), incluyendo: (a) la predicción de la carga iónica a partir de la posición de un elemento en la Tabla Periódica (b) el recuerdo de los nombres y fórmulas de los siguientes iones: $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{OH}^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$
    2. (a) escribir y construir ecuaciones (que deben estar balanceadas), incluyendo ecuaciones iónicas (que no deben incluir iones espectadores) (b) usar símbolos de estado apropiados en las ecuaciones
    3. definir y utilizar los términos fórmula empírica y molecular
    4. comprender y utilizar los términos anhidro, hidratado y agua de cristalización
    5. calcular fórmulas empíricas y moleculares, utilizando datos proporcionados

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un compuesto es una sustancia hecha de dos o más elementos químicamente unidos.

    Charges and formulas of ionic compounds

    En un compuesto iónico 离子化合物 la carga positiva total equilibra la carga negativa total, por lo que el compuesto es neutro en general.

    Puedes predecir la carga de muchos iones a partir de la posición del elemento en la Tabla Periódica:

    Grupo 1 2 13 15 16 17
    Usual ion charge $+1$ $+2$ $+3$ $-3$ $-2$ $-1$

    El hidrógeno forma $\text{H}^+$, y los gases nobles del Grupo 18 normalmente no forman iones.

    Algunos iones que debe conocer por nombre y fórmula:

    Name Formula
    nitrate $\text{NO}_3^{-}$
    carbonate $\text{CO}_3^{2-}$
    sulfate $\text{SO}_4^{2-}$
    hydroxide $\text{OH}^{-}$
    ammonium $\text{NH}_4^{+}$
    zinc $\text{Zn}^{2+}$
    silver $\text{Ag}^{+}$
    hydrogencarbonate $\text{HCO}_3^{-}$
    phosphate $\text{PO}_4^{3-}$

    Para un metal que puede tener más de una carga, un numeral romano muestra el número de oxidación 氧化数. Por ejemplo, hierro(II) es $\text{Fe}^{2+}$ y hierro(III) es $\text{Fe}^{3+}$. Para escribir una fórmula, equilibrar las cargas: el óxido de hierro(III) es $\text{Fe}_2\text{O}_3$, porque dos $\text{Fe}^{3+}$ equilibran tres $\text{O}^{2-}$.

    Equations and state symbols

    Una ecuación química debe estar balanceada — el mismo número de cada tipo de átomo en ambos lados. Añada símbolos de estado para mostrar el estado de cada especie: (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, y (aq) acuoso (disuelto en agua).

    Una ecuación iónica 离子方程式 muestra solo los iones y moléculas que realmente cambian. Los iones que no cambian son iones espectadores 旁观离子, y los omites. Por ejemplo, la reacción que forma cloruro de plata es:

    $$\text{Ag}^{+}(\text{aq}) + \text{Cl}^{-}(\text{aq}) \rightarrow \text{AgCl}(\text{s})$$

    Fórmulas empírica y molecular

    La fórmula empírica 实验式 es la relación simple de números enteros de los átomos de cada elemento en un compuesto. La fórmula molecular 分子式 muestra el número real de átomos de cada elemento en una molécula.

    Por ejemplo, el etano tiene fórmula empírica $\text{CH}_3$ pero fórmula molecular $\text{C}_2\text{H}_6$.

    Hydrated and anhydrous solids

    Algunos sólidos retienen agua dentro de sus cristales. Esta agua es el agua de cristalización 结晶水. Un sólido que la contiene es hidratado 水合的; el mismo sólido sin el agua es anhidro 无水的.

    Por ejemplo, el sulfato de cobre(II) hidratado es $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$. Calentarlo elimina el agua para dejar anhidro $\text{CuSO}_4$.

    Calculating empirical and molecular formulas

    Para encontrar la fórmula empírica a partir de masas (o porcentajes en masa):

    1. divida la masa de cada elemento por su $A_r$ para obtener los moles.
    2. divida todos los valores de moles por el más pequeño.
    3. redondee a los números enteros más cercanos — esa proporción es la fórmula empírica.

    Para obtener la fórmula molecular, también necesitas $M_r$. Encuentra cuántas veces cabe la masa de la fórmula empírica en $M_r$, luego multiplica la fórmula por ese número.

    Ejemplo resuelto. Un compuesto es $40.0\%$ carbono, $6.7\%$ hidrógeno y $53.3\%$ oxígeno en masa. Encuentre su fórmula empírica. ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$, O $= 16$.)

    Toma $100\ \text{g}$ y divide cada masa por su $A_r$ para obtener moles: C $= 40.0/12 = 3.33$, H $= 6.7/1 = 6.7$, O $= 53.3/16 = 3.33$. Dividiendo todo por el más pequeño ($3.33$) da una relación C : H : O $= 1 : 2 : 1$, por lo que la fórmula empírica es $\text{CH}_2\text{O}$.

    El ejemplo resuelto dispuesto como una tabla: porcentaje en masa dividido por Ar da moles, dividir por el más pequeño da la relación 1 a 2 a 1, por lo que la fórmula empírica es CH2O
    La receta de la fórmula empírica: divide por Ar, divide por el más pequeño, lee la relación
    Explorar

    Ruta de balanceo de ecuaciones

    Siga los átomos a través de una ecuación química para que ambos lados coincidan.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    compound/ˈkɒmpaʊnd/ 化合物 huà hé wù
    ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ 离子化合物 lí zi huà hé wù
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 氧化数 yǎng huà shù
    balanced/ˈbælənst/ 配平 pèi píng
    state symbols/steɪt ˈsɪmblz/ 状态符号 zhuàng tài fú hào
    aqueous/ˈeɪkwɪəs/ 水溶液 shuǐ róng yè
    ionic equation/aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/ 离子方程式 lí zi fāng chéng shì
    spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/ 旁观离子 páng guān lí zi
    empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 实验式 shí yàn shì
    molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 分子式 fēn zǐ shì
    water of crystallisation/ˈwɔːtə ɒv ˌkrɪstəlaɪˈzeɪʃn/ 结晶水 jié jīng shuǐ
    hydrated/haɪˈdreɪtɪd/ 水合的 shuǐ hé de
    anhydrous/ænˈhaɪdrəs/ 无水的 wú shuǐ de
    stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/ 化学计量 huà xué jì liàng
    2.4

    Reacting masses and volumes

    Syllabus
    1. Realizar cálculos que incluyan el uso del concepto de mol, abarcando: (a) masas de reactivos (a partir de fórmulas y ecuaciones), incluyendo cálculos del rendimiento porcentual; (b) volúmenes de gases (p. ej., en la combustión de hidrocarburos); (c) volúmenes y concentraciones de disoluciones; (d) reactivo limitante y reactivo en exceso. (Al realizar los cálculos, las respuestas de los candidatos deben reflejar el número de cifras significativas indicadas o solicitadas en el enunciado de la pregunta. Al redondear hacia arriba o hacia abajo, los candidatos deben asegurarse de no perder innecesariamente cifras significativas ni utilizar más de las justificadas (véase también la sección Requisitos matemáticos).) (e) Deducir relaciones estequiométricas a partir de cálculos como los descritos en 2.4.1(a)–(d).

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    A titration being carried out
    A titration finds reacting volumes precisely.

    Reacting masses and percentage yield

    Los números delante de cada especie en una ecuación balanceada dan la relación molar — esto es la estequiometría 化学计量. Para encontrar una masa reaccionante: cambia la masa conocida a moles, usa la relación molar para encontrar los moles que deseas, luego vuelve a cambiar a masa.

    Ejemplo resuelto. ¿Qué masa de óxido de magnesio se forma cuando $4.8\ \text{g}$ de magnesio se quema completamente? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

    Moles de Mg $= 4.8/24 = 0.20\ \text{mol}$. La relación Mg : MgO es $1 : 1$, así que se forman $0.20\ \text{mol}$ de MgO. Su masa molar es $24 + 16 = 40\ \text{g mol}^{-1}$, por lo tanto

    $$m = nM = 0.20 \times 40 = 8.0\ \text{g}.$$
    El puente del mol para el ejemplo de magnesio: 4.8 gramos de magnesio divididos por Ar dan 0.20 moles, la relación entre 1 y 1 da 0.20 moles de óxido de magnesio, multiplicados por Mr dan 8.0 gramos
    El puente del mol: masa a moles, proporción, y luego de vuelta a masa

    En reacciones reales usualmente obtienes menos producto que el máximo. El rendimiento porcentual 产率 compara la cantidad que realmente hiciste con la máxima que podrías haber hecho:

    $$\text{percentage yield} = \frac{\text{actual amount of product}}{\text{maximum possible amount}} \times 100\%$$

    Limiting and excess reagent

    Cuando se mezclan dos reactivos, uno usualmente se agota primero. El reactivo limitante 限量试剂 es el que se agota — decide cuánto producto se forma. El otro es el reactivo en exceso 过量试剂, porque hay más de lo necesario. Siempre basa el cálculo en el reactivo limitante.

    Para encontrarlo: calcula los moles de cada reactivo, divide cada uno por su número en la ecuación, y el resultado más pequeño es el reactivo limitante.

    Quemar 4 moléculas de hidrógeno con 1 molécula de oxígeno produce 2 moléculas de agua y deja 2 moléculas de hidrógeno sin reaccionar
    El reactivo limitante se agota primero y decide cuántos productos se forman; el reactivo sobrante está en exceso

    Volumes of gases

    A la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de cualquier gas contienen números iguales de moléculas. A temperatura y presión ambiente (r.t.p.), un mol de cualquier gas ocupa $24.0\ \text{dm}^3$, por lo tanto:

    $$n = \frac{V}{24.0}\qquad (V \text{ in } \text{dm}^3 \text{ at r.t.p.})$$
    Dos cajas del mismo tamaño, una de hidrógeno y una de dióxido de carbono, cada una conteniendo seis moléculas
    Volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen números iguales de moléculas, sea cual sea el gas

    Esto se utiliza al quemar hidrocarburos (compuestos de solo carbono e hidrógeno), donde compara volúmenes de gas.

    Volumes and concentrations of solutions

    La concentración de una solución es la cantidad de soluto en cada decímetro cúbico de solución, medida en $\text{mol dm}^{-3}$:

    $$n = c \times V$$

    donde $c$ es la concentración y $V$ es el volumen en $\text{dm}^3$. Recuerda que $1000\ \text{cm}^3 = 1\ \text{dm}^3$.

    Ejemplo resuelto. En una titulación, $25.0\ \text{cm}^3$ de solución de hidróxido de sodio es exactamente neutralizado por $20.0\ \text{cm}^3$ de ácido clorhídrico $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$: $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Encuentre la concentración del hidróxido de sodio.

    Moles de HCl $= cV = 0.100 \times \dfrac{20.0}{1000} = 2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. La relación es $1 : 1$, así que hay $2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$ de NaOH en $25.0\ \text{cm}^3$:

    $$c = \frac{n}{V} = \frac{2.00 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0800\ \text{mol dm}^{-3}.$$

    Esta es la base de una titulación 滴定, donde encuentras una concentración desconocida reaccionándola con una solución cuya concentración ya conoces.

    Una bureta sujeta en un soporte sobre un matraz cónico sobre una baldosa blanca
    En una titulación una bureta añade una solución de concentración conocida a la desconocida en el matraz cónico, hasta que el indicador cambia

    Significant figures

    Da tu respuesta a un número sensato de cifras significativas 有效数字 — usualmente coincide con los datos en la pregunta. No escribas más dígitos de los que apoyan los datos, y no redondees tan temprano que pierdas precisión.

    Explorar

    Ruta de masa reactiva

    Seguir una ecuación balanceada desde una masa conocida hasta la masa del producto predicho.

    Explorar

    Laboratorio de volumen de gas

    n = V / 24 dm3

    Cambiar el volumen del gas y ver cómo escalan los moles a condiciones ambientales.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    percentage yield/pəˈsentɪdʒ jiːld/ 产率 chǎn lǜ
    limiting reagent/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈeɪdʒənt/ 限量试剂 xiàn liàng shì jì
    excess reagent/ekˈses rɪˈeɪdʒənt/ 过量试剂 guò liàng shì jì
    hydrocarbons/ˈhaɪdrəkɑːbənz/ 碳氢化合物 tàn qīng huà hé wù
    concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 浓度 nóng dù
    solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
    solution/səˈluːʃn/ 溶液 róng yè
    titration/taɪˈtreɪʃn/ 滴定 dī dìng
    significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ 有效数字 yǒu xiào shù zì
    2.4

    Consejos para el examen

    • Convierta volúmenes a $\text{dm}^3$ antes de usar la concentración ($25.0\ \text{cm}^3 = 0.0250\ \text{dm}^3$); el faltante $\div 1000$ es el error de titulación más común.
    • Utilizar los números de balanceo como la relación molar entre especies, nunca los valores $M_r$.
    • Fórmula empírica: divida cada masa/porcentaje por $A_r$, luego por el más pequeño, luego escale a números enteros; use $M_r$ para llegar a la fórmula molecular.
    • Para gases a r.t.p. use $\text{volume} = \text{moles} \times 24\ \text{dm}^3$; cite la ecuación que use cada vez.
    • Dar la respuesta con el mismo número de cifras significativas que los datos (usualmente 3) e incluir siempre las unidades.
  • 3

    Enlace químico

    Ver lección
    3.1

    Electronegatividad

    Syllabus
    1. definir la electronegatividad como la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo
    2. explicar los factores que influyen en las electronegatividades de los elementos en términos de carga nuclear, radio atómico y apantallamiento por capas internas y subcapas
    3. exponer y explicar las tendencias de la electronegatividad a lo largo de un periodo y hacia abajo en un grupo de la Tabla Periódica
    4. utilizar las diferencias en los valores de electronegatividad de Pauling para predecir la formación de enlaces iónicos y covalentes (no se evaluará la presencia de carácter covalente en algunos compuestos iónicos) (se proporcionarán los valores de electronegatividad de Pauling cuando sea necesario)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La electronegatividad 电负性 es la capacidad de un átomo para atraer los electrones 电子 en un enlace hacia sí mismo.

    Tres factores determinan qué tan electronegativo es un átomo:

    • carga nuclear 核电荷: más protones atraen con mayor fuerza a los electrones de enlace.
    • radio atómico 原子半径: cuanto más cerca esté el enlace del núcleo, más fuerte será la atracción.
    • apantallamiento 屏蔽 por capas y subcapas internas: más electrones internos debilitan la atracción sobre los electrones de enlace.

    Por lo tanto, la electronegatividad aumenta a través de un período (mayor carga nuclear, menor radio) y disminuye hacia abajo en un grupo (mayor radio, mayor apantallamiento). El flúor es el elemento más electronegativo.

    Una cuadrícula sombreada desde pálido en la esquina inferior izquierda hasta profundo en la superior derecha, con flúor marcado en la esquina superior derecha
    La electronegatividad aumenta a través de un período y disminuye hacia abajo en un grupo, por lo que el flúor es el elemento más electronegativo

    Puede utilizar la diferencia en los valores de electronegatividad de Pauling 鲍林电负性 para predecir el tipo de enlace. Una gran diferencia da lugar a un enlace iónico; una pequeña diferencia da lugar a un enlace covalente.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 电负性 diàn fù xìng
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    nuclear charge/ˈnjuːklɪə tʃɑːdʒ/ 核电荷 hé diàn hè
    atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 原子半径 yuán zi bàn jìng
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 屏蔽 píng bì
    Pauling electronegativity/ˈpɔːlɪŋ ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 鲍林电负性 bào lín diàn fù xìng
    3.2

    Enlace iónico

    Syllabus
    1. definir el enlace iónico como la atracción electrostática entre iones de carga opuesta (cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente)
    2. describir el enlace iónico, incluyendo los ejemplos del cloruro de sodio, óxido de magnesio y fluoruro de calcio

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Enlace iónico: transferencia de electrones

    El enlace iónico 离子键 es la atracción electrostática 静电引力 entre iones 离子 cargados opuestamente — cationes 阳 positivos y aniones 阴 negativos.

    Se forma cuando un metal cede electrones a un no metal. Buenos ejemplos son el cloruro de sodio ($\text{NaCl}$), el óxido de magnesio ($\text{MgO}$) y el fluoruro de calcio ($\text{CaF}_2$). Los iones se empaquetan en una red gigante regular (lattice 晶格), mantenidos juntos por la atracción en todas las direcciones.

    Un diagrama punto-y-cruz mostrando un átomo de sodio con un cruz transfiriéndolo a un átomo de cloro, dando iones Na+ y Cl- entre corchetes
    Enlace iónico en NaCl: el sodio transfiere su único electrón externo al cloro, formando Na$^+$ y Cl$^-$ con el octeto completo
    Un cristal de sal de roca gris claro sobre un fondo negro, hecho de muchos pequeños bloques cúbicos con caras angulares
    Un cristal real de sal de roca (halita, NaCl); las formas cúbicas reflejan la red iónica gigante en su interior
    Explorar

    Formación de un enlace iónico (NaCl)

    Paso a paso. Un metal transfiere su electrón externo a un no metal; los ones con cargas opuestas se atraen entonces en una red gigante.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    ionic bonding/aɪˈɒnɪk ˈbɒndɪŋ/ 离子键 lí zi jiàn
    electrostatic attraction/ɪˌlektrəʊˈstætɪk əˈtrækʃn/ 静电引力 jìng diàn yǐn lì
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    cation/ˈkætaɪən/ 阳离子 yáng lí zi
    anion/ˈænaɪən/ 阴离子 yīn lí zi
    lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
    3.3

    Enlace metálico

    Syllabus
    1. Defina el enlace metálico como la atracción electrostática entre iones metálicos positivos y electrones deslocalizados.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El enlace metálico 金属键 es la atracción electrostática entre iones metálicos positivos y un "mar" de electrones deslocalizados 离域电子.

    Los electrones externos están libres de moverse a través de todo el metal. Esto explica por qué los metales conducen electricidad y son fuertes.

    Una cuadrícula regular de iones metálicos positivos con pequeños electrones dispersos en los huecos entre ellos
    Enlace metálico: los iones metálicos positivos se asientan en un mar de electrones deslocalizados que están libres de moverse
    Explorar

    Dentro de un metal — y por qué se comporta así

    Paso a paso. Los iones positivos están inmersos en un mar compartido de electrones deslocalizados. Una sola imagen explica la conductividad, la maleabilidad y la resistencia.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    metallic bonding/məˈtælɪk ˈbɒndɪŋ/ 金属键 jīn shǔ jiàn
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 离域电子 lí yù diàn zi
    3.4

    Enlaces covalentes y coordinados

    Syllabus
    1. definir enlace covalente como la atracción electrostática entre los núcleos de dos átomos y un par de electrones compartido (a) describir el enlace covalente en moléculas incluyendo: • hidrógeno, $\text{H}_2$ • oxígeno, $\text{O}_2$ • nitrógeno, $\text{N}_2$ • cloro, $\text{Cl}_2$ • cloruro de hidrógeno, $\text{HCl}$ • dióxido de carbono, $\text{CO}_2$ • amoníaco, $\text{NH}_3$ • metano, $\text{CH}_4$ • etano, $\text{C}_2\text{H}_6$ • eteno, $\text{C}_2\text{H}_4$ (b) comprender que los elementos del periodo 3 pueden expandir su octeto, incluyendo en los compuestos dióxido de azufre, $\text{SO}_2$, pentacloruro de fósforo, $\text{PCl}_5$, y hexafluoruro de azufre, $\text{SF}_6$ (c) describir el enlace coordinado (covalente dativo), incluido en la reacción entre gases de amoníaco y cloruro de hidrógeno para formar el ion amonio, $\text{NH}_4^+$, y en la molécula $\text{Al}_2\text{Cl}_6$
    2. (a) describir los enlaces covalentes en términos de superposición orbital dando lugar a enlaces $\sigma$ y $\pi$: • los enlaces $\sigma$ se forman por la superposición directa de orbitales entre los átomos enlazantes • los enlaces $\pi$ se forman por la superposición lateral de orbitales p adyacentes por encima y por debajo del enlace $\sigma$ (b) describir cómo se forman los enlaces $\sigma$ y $\pi$ en moléculas incluyendo $\text{H}_2$, $\text{C}_2\text{H}_6$, $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{HCN}$ y $\text{N}_2$ (c) utilizar el concepto de hibridación para describir orbitales $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ y $\text{sp}^3$
    3. (a) definir los términos: • energía de enlace como la energía requerida para romper un mol de un enlace covalente particular en estado gaseoso • longitud de enlace como la distancia internuclear de dos átomos unidos covalentemente (b) utilizar valores de energía de enlace y el concepto de longitud de enlace para comparar la reactividad de moléculas covalentes

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Enlace covalente: un par compartido

    El enlace covalente 共价键 es la atracción electrostática entre los núcleos de dos átomos y un par de electrones compartido.

    Las moléculas simples con enlaces covalentes incluyen $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$, $\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$, $\text{C}_2\text{H}_6$ y $\text{C}_2\text{H}_4$. Un doble enlace comparte dos pares; un triple enlace (como en $\text{N}_2$) comparte tres pares.

    Los átomos del Período 3 y hacia abajo pueden expandir el octeto 扩展八隅体 — mantener más de ocho electrones en su capa externa. Ejemplos son $\text{SO}_2$, $\text{PCl}_5$ y $\text{SF}_6$.

    Un enlace coordinado 配位键 (también llamado enlace covalente dativo) es un enlace covalente donde ambos electrones compartidos provienen del mismo átomo. Por ejemplo, cuando los gases amoníaco y cloruro de hidrógeno se encuentran, el par libre del nitrógeno forma un enlace coordinado con $\text{H}^+$, dando lugar al ion amonio $\text{NH}_4^+$. Los enlaces coordinados también unen las dos mitades de la molécula $\text{Al}_2\text{Cl}_6$.

    El par solitario del amoníaco formando un nuevo enlace con un ion hidrógeno entrante, mostrado como una flecha, para hacer el ion amonio entre corchetes con una carga positiva
    Un enlace coordinado (dativo): el par libre del nitrógeno forma el cuarto enlace N–H, ambos electrones proveniendo del N

    Enlaces sigma y pi

    Los enlaces covalentes se forman cuando se superponen los orbitales 轨道:

    • un enlace sigma σ键 se forma mediante la superposición directa, frontal, de orbitales entre los dos átomos.
    • un enlace pi π键 se forma mediante la superposición lateral de dos orbitales p, arriba y debajo del enlace sigma.

    Un enlace simple es un enlace sigma. Un doble enlace (como en $\text{C}_2\text{H}_4$) es un enlace sigma más un enlace pi. Un triple enlace (como en $\text{N}_2$ y $\text{HCN}$) es un enlace sigma más dos enlaces pi.

    A la izquierda dos orbitales superponiéndose cabeza con cabeza entre los núcleos; a la derecha dos orbitales p verticales superponiéndose lateralmente arriba y abajo del eje
    Un enlace $\sigma$ se forma por superposición frontal directa; un enlace $\pi$ se forma por la superposición lateral de dos orbitales p, arriba y debajo

    Híbridación

    La hibridación 杂化 mezcla orbitales en la misma capa para formar nuevos orbitales iguales para el enlace:

    • $\text{sp}$: dos orbitales iguales, usados en una molécula lineal.
    • $\text{sp}^2$: tres orbitales iguales, usados en una molécula plana como $\text{C}_2\text{H}_4$.
    • $\text{sp}^3$: cuatro orbitales iguales, usados en $\text{CH}_4$.

    Energía y longitud de enlace

    • La energía de enlace 键能 es la energía necesaria para romper un mol de un enlace covalente específico en estado gaseoso.
    • La longitud de enlace 键长 es la distancia entre los centros de los dos átomos unidos.

    Un enlace más corto suele ser más fuerte (mayor energía de enlace). Los triples enlaces son más cortos y fuertes que los dobles enlaces, que son más cortos y fuertes que los enlaces simples. Los enlaces más fuertes hacen que sea más difícil que la molécula reaccione.

    Explorar

    Compartir un par de electrones

    Paso a paso de un enlace covalente: dos átomos se superponen y comparten un par para que cada uno alcance una capa completa; cuando los dos tiran con igual fuerza, el enlace es no polar.

    Explorar

    Enlace covalente (compartido)

    Dos átomos no metálicos se superponen y comparten un par de electrones —contados para ambos—, logrando cada uno una capa externa completa. El O₂ comparte dos pares (un doble enlace).

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    covalent bonding/ˈkəʊvələnt ˈbɒndɪŋ/ 共价键 gòng jià jiàn
    expand the octet/ekˈspænd ðɪ ɒkˈtet/ 扩展八隅体 kuò zhǎn bā yú tǐ
    coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ 配位键 pèi wèi jiàn
    orbital/ˈɔːbɪtl/ 轨道 guǐ dào
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ键 σ jiàn
    overlap/ˌəʊvəˈlæp/ 重叠 chóng dié
    pi bond/paɪ bɒnd/ π键 π jiàn
    hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 杂化 zá huà
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
    bond length/bɒnd leŋθ/ 键长 jiàn zhǎng
    VSEPR theory/ˈvespə ˈθɪəri/ 价层电子对互斥理论 jià céng diàn zi duì hù chì lǐ lùn
    lone pair/ləʊn peə/ 孤对电子 gū duì diàn zi
    bonding pair/ˈbɒndɪŋ peə/ 成键电子对 chéng jiàn diàn zi duì
    bond angle/bɒnd ˈæŋɡl/ 键角 jiàn jiǎo
    linear/ˈlɪnɪə/ 直线形 zhí xiàn xíng
    trigonal planar/ˈtrɪɡənl ˈpleɪnə/ 平面三角形 píng miàn sān jiǎo xíng
    tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ 四面体形 sì miàn tǐ xíng
    pyramidal/pɪˈræmɪdl/ 三角锥形 sān jiǎo zhuī xíng
    bent/bent/ 角形 jiǎo xíng
    trigonal bipyramidal/ˈtrɪɡənl baɪˈpɪrəmɪdl/ 三角双锥形 sān jiǎo shuāng zhuī xíng
    octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ 八面体形 bā miàn tǐ xíng
    intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 分子间作用力 fèn zǐ jiàn zuò yòng lì
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 极性 jí xìng
    dipole/ˈdaɪpəʊl/ 偶极 ǒu jí
    dipole moment/ˈdaɪpəʊl ˈməʊmənt/ 偶极矩 ǒu jí jǔ
    van der Waals' forces/ˈvændɜː wɑːlz ˈfɔːsɪz/ 范德华力 fàn dé huá lì
    London dispersion forces/ˈlʌndn dɪˈspɜːʃn ˈfɔːsɪz/ 伦敦色散力 lún dūn sè sàn lì
    instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/ 瞬时偶极 shùn shí ǒu jí
    induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/ 诱导偶极 yòu dǎo ǒu jí
    permanent dipole/ˈpɜːmənənt ˈdaɪpəʊl/ 永久偶极 yǒng jiǔ ǒu jí
    3.5

    Formas de las moléculas

    Syllabus
    1. describir y explicar las formas de, y los ángulos de enlace en, moléculas mediante la teoría VSEPR, incluyendo como ejemplos simples: • $\text{BF}_3$ (trigonal plana, 120°) • $\text{CO}_2$ (lineal, 180°) • $\text{CH}_4$ (tetraédrica, 109,5°) • $\text{NH}_3$ (piramidal, 107°) • $\text{H}_2\text{O}$ (no lineal, 104,5°) • $\text{SF}_6$ (octaédrica, 90°) • $\text{PF}_5$ (bipiramidal trigonal, 120° y 90°)
    2. predecir las formas de, y los ángulos de enlace en, moléculas e iones análogos a los especificados en 3.5.1

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    A ball-and-stick molecular model
    Un modelo molecular muestra la forma tridimensional de una molécula covalente.

    Para determinar una forma, utilice la teoría VSEPR 价层电子对互斥理论: los pares de electrones alrededor del átomo central se empujan lo más lejos posible, debido a que las cargas similares se repelen.

    Un par solitario 孤对电子 (no enlazado) ejerce una repulsión más fuerte que un par de enlace 成键电子对. Cada par solitario comprime el ángulo de enlace 键角 aproximadamente $2.5°$.

    Molécula Forma Ángulo de enlace
    $\text{CO}_2$ lineal 直线形 $180°$
    $\text{BF}_3$ trigonal plana 平面三角形 $120°$
    $\text{CH}_4$ tetraédrica 四面体形 $109.5°$
    $\text{NH}_3$ piramidal 三角锥形 $107°$
    $\text{H}_2\text{O}$ angular 角形 $104.5°$
    $\text{PF}_5$ bipiramidal trigonal 三角双锥形 $120°$ y $90°$
    $\text{SF}_6$ octaédrica 八面体形 $90°$

    $\text{NH}_3$ tiene un par solitario y $\text{H}_2\text{O}$ tiene dos, por lo que sus ángulos disminuyen por debajo del $109.5°$ de $\text{CH}_4$. Puedes predecir las formas de moléculas e iones similares de la misma manera.

    Siete formas moleculares dibujadas con un átomo central y átomos enlazados: lineal, trigonal plana, tetraédrica, piramidal, doblada, bipirámide trigonal y octaédrica, cada una con su ángulo de enlace
    Las siete formas de la teoría VSEPR; los pares solitarios de NH$_3$ y H$_2$O repelen con más fuerza y reducen el ángulo de enlace por debajo de $109.5°$

    Ejercicio resuelto. Predice la forma y el ángulo de enlace de $\text{NH}_3$ y de $\text{H}_2\text{O}$. El nitrógeno tiene 5 electrones externos y forma 3 enlaces, dejando 3 pares de enlace y 1 par solitario: cuatro pares en total, por lo que parten de la geometría tetraédrica $109.5°$. El par solitario repele con mayor fuerza y comprime el ángulo en unos $2.5°$, dando una forma piramidal de aproximadamente $107°$. El oxígeno forma 2 enlaces y conserva 2 pares solitarios: siguen siendo cuatro pares, pero ahora hay dos compresiones, así que la forma es angular a unos $104.5°$. Cuenta todos los pares para fijar la geometría básica, resta $2.5°$ por cada par solitario, y nombra la forma según los átomos: $\text{NH}_3$ tiene cuatro pares pero es piramidal, no tetraédrica.

    Explorar

    Forma a partir de enlaces y pares libres

    Cuenta los pares de enlace y los pares libres alrededor del átomo central; se repelen para adoptar la forma con menor tensión. Tres enlaces y un par libre dan una pirámide, como en el amoníaco (NH3).

    Explorar

    Prediciendo la forma molecular

    Establece los pares de enlace y solitarios. Los pares de electrones se repelen y se separan lo máximo posible — eso fija la forma y el ángulo de enlace.

    3.6

    Fuerzas intermoleculares

    Syllabus
    1. (a) describa el enlace de hidrógeno, limitándose a moléculas que contienen grupos N–H y O–H, incluyendo al amoníaco y al agua como ejemplos simples (b) utilice el concepto de enlace de hidrógeno para explicar las propiedades anómalas del $\text{H}_2\text{O}$ (hielo y agua): • sus puntos de fusión y ebullición relativamente altos • su tensión superficial relativamente alta • la densidad del hielo sólido en comparación con el agua líquida
    2. utilice el concepto de electronegatividad para explicar la polaridad del enlace y los momentos dipolares de las moléculas
    3. (a) describa las fuerzas de van der Waals como las fuerzas intermoleculares entre entidades moleculares distintas a aquellas debidas a la formación de enlaces, y utilice el término fuerzas de van der Waals como un término genérico para describir todas las fuerzas intermoleculares (b) describa los tipos de fuerzas de van der Waals: • fuerzas de dipolo instantáneo-dipolo inducido (id-id), también llamadas fuerzas de dispersión de London • fuerzas de dipolo permanente-dipolo permanente (pd-pd), que incluyen el enlace de hidrógeno (c) describa el enlace de hidrógeno y comprenda que este constituye un caso especial de fuerzas de dipolo permanente-dipolo permanente entre moléculas en las que el hidrógeno está unido a un átomo altamente electronegativo
    4. indique que, en general, los enlaces iónicos, covalentes y metálicos son más fuertes que las fuerzas intermoleculares

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Las fuerzas intermoleculares 分子间作用力 son las fuerzas entre moléculas 分子. Son mucho más débiles que el enlace iónico, covalente y metálico dentro de las sustancias.

    Polaridad del enlace y dipolos

    Cuando dos átomos con diferente electronegatividad comparten un enlace, los electrones se sitúan más cerca del átomo más electronegativo. El enlace adquiere entonces una polaridad 极性: un extremo es ligeramente negativo ($\delta-$) y el otro ligeramente positivo ($\delta+$). Esta separación de cargas constituye un dipolo 偶极.

    Si los dipolos de una molécula no se cancelan, la molécula entera posee un momento dipolar 偶极矩 y es polar. Si se cancelan por simetría (como en $\text{CO}_2$), la molécula es no polar.

    Fuerzas de Van der Waals

    Las fuerzas de Van der Waals 范德华力 es el nombre general para todas las fuerzas intermoleculares. Hay dos tipos principales.

    El primer tipo es la fuerza de dipolo instantáneo-dipolo inducido, también llamada fuerza de dispersión de London 伦敦色散力. Los electrones en movimiento generan un breve dipolo instantáneo 瞬时偶极, que a su vez crea un dipolo inducido 诱导偶极 coincidente en una molécula cercana. Estas fuerzas actúan entre todas las moléculas y se intensifican cuando hay más electrones.

    Dos moléculas lado a lado: un dipolo instantáneo breve en una induce un dipolo coincidente en su vecino, por lo que las dos se atraen
    Una fuerza de London: un dipolo momentáneo en una molécula induce un dipolo en su vecina, por lo que se atraen — esto actúa entre todas las moléculas

    El segundo tipo es la fuerza de dipolo permanente-dipolo permanente. Actúa entre moléculas que siempre son polares, porque cada una posee un dipolo permanente 永久偶极.

    Enlace de hidrógeno

    El enlace de hidrógeno 氢键 es un caso especial y fuerte de las fuerzas de dipolo permanente. Se forma cuando el hidrógeno está unido a un átomo muy electronegativo — nitrógeno, oxígeno o flúor — y es atraído hacia un par solitario en un átomo de N, O o F de una molécula vecina. Busca grupos N–H y O–H, como en el amoníaco y el agua.

    Tres moléculas de agua vinculadas por enlaces de hidrógeno punteados, cada uno corriendo desde un hidrógeno ligeramente positivo al oxígeno ligeramente negativo de un vecino
    Enlace de hidrógeno en el agua: un hidrógeno $\delta+$ es atraído hacia un par solitario en el oxígeno $\delta-$ de una molécula vecina

    El enlace de hidrógeno explica el comportamiento peculiar del agua:

    • su alto punto de fusión y punto de ebullición 沸点, porque deben romperse muchos enlaces de hidrógeno.
    • su alta tensión superficial 表面张力.
    • el hielo es menos denso que el agua líquida, porque los enlaces de hidrógeno mantienen a las moléculas en una estructura abierta y extendida, por lo que el hielo flota.
    Explorar

    Laboratorio de polaridad y fuerzas intermoleculares

    Clasificar moléculas según la característica que controla las atracciones.

    Explorar

    Por qué los enlaces de hidrógeno hacen que el agua sea especial

    Paso a paso. Una fuerza débil pero fuerte —el enlace de hidrógeno— explica el alto punto de ebullición del agua, por qué el hielo flota y por qué disuelve tanta sustancia.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    hydrogen bonding/ˈhaɪdrədʒn ˈbɒndɪŋ/ 氢键 qīng jiàn
    boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 沸点 fèi diǎn
    surface tension/ˈsɜːfɪs ˈtenʃn/ 表面张力 biǎo miàn zhāng lì
    dot-and-cross diagram/dɒt ænd krɒs ˈdaɪəɡræm/ 点叉图 diǎn chā tú
    3.7

    Diagramas de puntos y cruces

    Syllabus
    1. utilizar diagramas de puntos y cruces para ilustrar el enlace iónico, covalente y coordinado, incluyendo la representación de cualquier compuesto mencionado en los apartados 3.4 y 3.5 (los diagramas de puntos y cruces pueden incluir especies con átomos que tengan un octeto expandido o especies con un número impar de electrones).

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un diagrama de puntos y cruces 点叉图 muestra los electrones externos de cada átomo, usando puntos para un átomo y cruces para el otro. Esto aclara de dónde proviene cada electrón de enlace. Puedes dibujarlos para enlaces iónicos, covalentes y coordinados, incluyendo moléculas con octeto expandido o número impar de electrones.

    Diagramas de puntos y cruces para agua y nitrógeno: el agua muestra dos pares enlazantes y dos pares solitarios en el oxígeno, el nitrógeno muestra tres pares compartidos y un par solitario en cada átomo
    Puntos y cruces covalentes: cada par compartido es un electrón de cada átomo. El agua tiene dos pares de enlace y dos pares solitarios; el nitrógeno comparte tres pares (un enlace triple)
    3.7

    Consejos para el examen

    • Para formas, cuenta los pares de enlace y los pares libres, nombra la forma y proporciona el ángulo de enlace exacto (ej. $\text{NH}_3$: piramidal, $107^\circ$) — cada par libre reduce el ángulo en aproximadamente $2.5^\circ$.
    • Un enlace dativo (coordinado) tiene ambos electrones de un solo átomo (ej. $\text{NH}_4^+$, $\text{H}_3\text{O}^+$); dibuja la flecha desde el par libre.
    • Nombra la fuerza intermolecular con precisión: el enlace de hidrógeno requiere H unido a N, O o F; de lo contrario, es dipolo-permanente o dipolo-inducido (van der Waals). Nunca llames fuerzas de van der Waals "enlaces".
    • Explica una propiedad física indicando qué fuerzas se rompen, no simplemente "enlaces fuertes".
  • 4

    Estados de la materia

    Ver lección
    4.1

    El estado gaseoso

    Syllabus
    1. explicar el origen de la presión en un gas en términos de las colisiones entre las moléculas del gas y las paredes del recipiente
    2. comprender que los gases ideales tienen volumen de partícula cero y no presentan fuerzas intermoleculares de atracción
    3. enunciar y utilizar la ecuación de los gases ideales $pV = nRT$ en cálculos, incluida la determinación de $M_r$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Vapor saliendo de agua hirviendo
    Hervir convierte el agua líquida en vapor — un cambio entre estados de la materia.

    Origen de la presión del gas

    Las moléculas de gas se mueven rápidamente en todas las direcciones. Continúan chocando contra las paredes de su contenedor. Cada impacto ejerce una pequeña fuerza sobre la pared. La presión 压强 del gas es el resultado global de estas múltiples colisiones sobre las paredes.

    Partículas de movimiento rápido dentro de una caja, cada una con una flecha de velocidad, algunas golpeando las paredes y marcadas con una estrella de impacto
    Presión del gas: las moléculas rápidas se mueven en todas las direcciones y colisionan con las paredes; los muchos empujes pequeños se suman para formar la presión

    Gases ideales

    Un gas ideal 理想气体 es un modelo simple. Asumimos dos cosas:

    • las propias partículas ocupan volumen cero.
    • no hay fuerzas intermoleculares 分子间作用力 de atracción entre las partículas.

    Un gas real 实际气体 sigue este modelo de cerca a baja presión y alta temperatura. Se comporta menos como un gas ideal a alta presión y baja temperatura, cuando las partículas están apretujadas juntas y las fuerzas entre ellas empiezan a ser significativas.

    Dos cajas: a la izquierda un gas ideal de partículas puntuales diminutas con flechas de velocidad y sin fuerzas; a la derecha un gas real a alta presión y baja temperatura con partículas grandes y apretujadas unidas por líneas de atracción discontinuas
    Un gas ideal es un modelo: partículas puntuales sin fuerzas entre sí. Un gas real se comporta menos como esto a alta presión y baja temperatura, cuando las partículas están apretujadas y su tamaño real y atracciones comienzan a importar

    La ecuación del gas ideal

    La ecuación del gas ideal 理想气体方程 relaciona la presión, el volumen, la cantidad y la temperatura:

    $$pV = nRT$$

    donde $p$ es la presión en Pa, $V$ es el volumen en $\text{m}^3$, $n$ es la cantidad en moles, $T$ es la temperatura en kelvin 开尔文 (K), y $R$ es la constante de los gases 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

    Siempre cambia las unidades primero: °C a K (suma 273), y $\text{cm}^3$ o $\text{dm}^3$ a $\text{m}^3$.

    Ejemplo resuelto. Encuentra el volumen de $0.50\ \text{mol}$ de un gas ideal a $27\ ^{\circ}\text{C}$ y $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

    Convierte primero: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Entonces

    $$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

    También puedes usar la ecuación para encontrar una masa molar 摩尔质量. Dado que $n = m/M$:

    $$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

    Esto te permite calcular $M_r$ a partir de la masa (o la densidad) de un gas.

    Ejemplo resuelto. Un matraz contiene $0.96\ \text{g}$ de un gas en $600\ \text{cm}^3$ a $100\ \text{kPa}$ y $27\ ^{\circ}\text{C}$. Encuentra la masa molar del gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

    Convierte: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Entonces

    $$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$
    Explorar

    El estado gaseoso

    p = k / V

    Ley de Boyle: a temperatura constante, la presión ∝ 1/volumen.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    collide/kəˈlaɪd/ 碰撞 pèng zhuàng
    pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
    ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 理想气体 lǐ xiǎng qì tǐ
    intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 分子间作用力 fèn zǐ jiàn zuò yòng lì
    real gas/rɪəl ɡæs/ 实际气体 shí jì qì tǐ
    ideal gas equation/aɪˈdɪəl ɡæs ɪˈkweɪʒn/ 理想气体方程 lǐ xiǎng qì tǐ fāng chéng
    kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén
    gas constant/ɡæs ˈkɒnstənt/ 气体常量 qì tǐ cháng liàng
    molar mass/ˈməʊlə mæs/ 摩尔质量 mó ěr zhì liàng
    crystalline solid/ˈkrɪstəlaɪn ˈsɒlɪd/ 晶体 jīng tǐ
    giant ionic/ˈdʒaɪənt aɪˈɒnɪk/ 离子晶体 lí zi jīng tǐ
    lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
    4.2

    Enlaces y estructura

    Syllabus
    1. describir, en términos sencillos, la estructura reticular de un sólido cristalino que sea: (a) iónico gigante, incluyendo cloruro sódico y óxido de magnesio; (b) molecular simple, incluyendo yodo, buckminsterfullereno $\text{C}_{60}$ y hielo; (c) molecular gigante, incluyendo dióxido de silicio(IV), grafito y diamante; (d) metálico gigante, incluyendo cobre.
    2. describir, interpretar y predecir el efecto de los diferentes tipos de estructura y enlace sobre las propiedades físicas de las sustancias, incluyendo punto de fusión, punto de ebullición, conductividad eléctrica y solubilidad.
    3. deducir el tipo de estructura y enlace presente en una sustancia a partir de información proporcionada.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un grupo de cristales de cuarzo
    El cuarzo es una estructura covalente gigante de silicio y oxígeno.

    Cómo se comporta una sustancia depende de cómo están unidos sus partículas. Hay cuatro estructuras principales de un sólido cristalino 晶体.

    Cuatro paneles: una red iónica gigante de iones positivos y negativos alternados, moléculas pequeñas separadas, una red covalente unida e iones metálicos en un mar de electrones
    Las cuatro estructuras de un sólido cristalino — la estructura determina el punto de fusión, la conductividad y la solubilidad

    Iónico gigante

    Una estructura iónica gigante 离子晶体 es una enorme red regular de iones 离子 positivos y negativos, unidos por una fuerte atracción en todas las direcciones. Ejemplos son el cloruro de sodio y el óxido de magnesio.

    Molecular simple

    Una estructura molecular simple 分子晶体 está formada por pequeñas moléculas 分子. Los enlaces dentro de cada molécula son fuertes, pero las fuerzas intermoleculares entre las moléculas son débiles. Ejemplos son el yodo ($\text{I}_2$), las fullerenas 富勒eno ($\text{C}_{60}$) y el hielo.

    Molecular gigante

    Una estructura molecular gigante 原子晶体 (también llamada covalente gigante) es una inmensa red de átomos unidos por fuertes enlaces covalentes 共价键. Ejemplos son el óxido de silicio(IV) 二氧化硅, el grafito 石墨 y el diamante 金刚石.

    A la izquierda un nodo de diamante con cada carbono unido a otros cuatro; a la derecha el grafito como capas hexagonales apiladas unidas por fuerzas débiles
    Dos formas covalentes gigantes del carbono: el diamante es una red rígida tridimensional (muy duro); el grafito tiene capas deslizantes y electrones libres que permiten la conducción
    Un cristal de diamante octaédrico irregular
    Diamante real en la roca donde creció. Todo ese cristal es una sola molécula gigante — una red única e ininterrumpida de átomos de carbono, cada uno unido a otros cuatro. Romperlo significa romper incontables enlaces covalentes fuertes, por eso el diamante es el material natural más duro

    Metálico gigante

    Una estructura metálica gigante 金属晶体 es una red de iones metálicos positivos en un "mar" de electrones deslocalizados 离域电子. Un ejemplo es el cobre.

    Un trozo redondeado de cobre con un brillo metálico rojizo brillante y pequeñas manchas verdes de oxidación
    Un pedazo de metal cobre puro. El brillo, y la forma en que los metales conducen y se doblan, provienen todos de esa red gigante de iones de cobre sentados en un mar compartido de electrones deslocalizados

    Propiedades físicas

    La estructura determina las propiedades físicas:

    Estructura Punto de fusión/ebullición ¿Conduce electricidad? Solubilidad en agua
    iónico gigante alto solo cuando está fundido o disuelto generalmente soluble
    molecular simple bajo no generalmente baja
    molecular gigante muy alto no (excepto grafito) insoluble
    metálico gigante alto sí (sólido y fundido) insoluble
    • El punto de fusión 熔点 y el punto de ebullición 沸点 son altos cuando deben romperse fuerzas fuertes (iónicas, covalentes o metálicas), y bajos cuando solo se rompen fuerzas intermoleculares débiles.
    • La conductividad eléctrica 导电性 requiere partículas cargadas que puedan moverse — iones que estén libres (cuando están fundidos o disueltos) o electrones deslocalizados. El grafito conduce porque algunos de sus electrones están deslocalizados.
    • La solubilidad 溶解度 en agua suele ser alta para sólidos iónicos y baja para sólidos moleculares y covalentes gigantes.

    También puedes hacer lo inverso: a partir del punto de fusión, la conductividad y la solubilidad de una sustancia desconocida, deducir el tipo de estructura y enlace que posee.

    Explorar

    Laboratorio de estructuras gigantes

    Comparar estructuras gigantes por partículas y enlace.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/ 分子晶体 fēn zǐ jīng tǐ
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ
    fullerene/ˈfʊləren/ 富勒烯 fù lēi xī
    giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/ 原子晶体 yuán zi jīng tǐ
    covalent bonds/ˈkəʊvələnt bɒndz/ 共价键 gòng jià jiàn
    silicon(IV) oxide/ˈsɪlɪkən ˈɒksaɪd/ 二氧化硅 èr yǎng huà guī
    graphite/ˈɡræfaɪt/ 石墨 shí mò
    diamond/ˈdaɪəmənd/ 金刚石 jīn gāng shí
    giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/ 金属晶体 jīn shǔ jīng tǐ
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 离域电子 lí yù diàn zi
    melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 熔点 róng diǎn
    boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 沸点 fèi diǎn
    electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 导电性 dǎo diàn xìng
    solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 溶解度 róng jiě dù
    4.2

    Consejos de examen

    • Usa unidades SI en $pV = nRT$: presión en Pa, volumen en $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperatura en K ($^\circ\text{C} + 273$).
    • Establece las suposiciones del gas ideal (volumen molecular despreciable, sin fuerzas intermoleculares) y cuándo los gases reales se desvían (alta presión, baja temperatura).
    • Vincula cada propiedad a la estructura: iónico gigante (alto p.f., conduce fundido), covalente gigante (p.f. muy alto), molecular simple (p.f. bajo), metálico gigante (conduce, maleable).
    • El grafito conduce porque cada carbono tiene un electrón deslocalizado; el diamante no — una comparación favorita.
  • 5

    Energetica química

    Ver lección
    5.1

    Cambio de entalpía, ΔH

    Syllabus
    1. comprender que las reacciones químicas van acompañadas de cambios de entalpía y que estos cambios pueden ser exotérmicos ($\Delta H$ es negativo) o endotérmicos ($\Delta H$ es positivo).
    2. construir e interpretar un diagrama de la trayectoria de reacción, en términos del cambio de entalpía de la reacción y de la energía de activación.
    3. definir y utilizar los términos: (a) condiciones estándar (este programa asume que estas son $298\text{ K}$ y $101\text{ kPa}$), representadas por $^{\ominus}$. (b) cambio de entalpía con referencia particular a: reacción, $\Delta H_r$, formación, $\Delta H_f$, combustión, $\Delta H_c$, neutralización, $\Delta H_{\text{neut}}$.
    4. comprender que se producen transferencias de energía durante las reacciones químicas debido al rompimiento y formación de enlaces químicos.
    5. utilizar energías de enlace ($\Delta H$ positivo, es decir, ruptura de enlace) para calcular el cambio de entalpía de la reacción, $\Delta H_r$.
    6. comprender que algunas energías de enlace son exactas y otras son promedios.
    7. calcular cambios de entalpía a partir de resultados experimentales apropiados, incluyendo el uso de las relaciones $q = mc\Delta T$ y $\Delta H = -mc\Delta T/n$.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Perfil de la reacción: energía de activación y ΔH
    Llama azul de un quemador Bunsen
    La combustión de combustible es exotérmica, liberando energía al entorno.
    Paquete frío instantáneo
    Un paquete frío instantáneo utiliza una reacción endotérmica que absorbe calor.

    Toda reacción química absorbe o libera energía. Este cambio energético, medido a presión constante, se denomina cambio de entalpía (焓变), con símbolo $\Delta H$.

    • En una reacción exotérmica (放热), el sistema libera calor; por tanto, los productos tienen menos energía que los reactivos y $\Delta H$ es negativo.
    • En una reacción endotérmica (吸热), el sistema absorbe calor; por tanto, los productos tienen más energía que los reactivos y $\Delta H$ es positivo.

    Diagramas de la trayectoria de la reacción

    Un diagrama de la trayectoria de la reacción (反应路径图) muestra la energía de los reactivos y los productos, así como la "colina" energética entre ellos. La altura de esta colina representa la energía de activación (活化能): la mínima energía que necesitan las partículas para poder reaccionar.

    • Exotérmica: los productos se sitúan más abajo que los reactivos ($\Delta H < 0$).
    • Endotérmica: los productos se sitúan más arriba que los reactivos ($\Delta H > 0$).
    Dos diagramas de trayectorias de reacción lado a lado: uno exotérmico con productos por debajo de los reactivos y uno endotérmico con productos por encima
    Las reacciones exotérmicas terminan más bajo de donde comienzan ($\Delta H<0$); las reacciones endotérmicas terminan más alto ($\Delta H>0$)

    Condiciones estándar y tipos de cambio de entalpía

    Los valores energéticos se comparan bajo condiciones estándar (标准条件): $298\ \text{K}$ y $101\ \text{kPa}$, indicadas mediante el símbolo $^{\ominus}$. Cada sustancia se encuentra en su estado físico normal a dichas condiciones.

    Símbolo Nombre Definición (por mol, en condiciones estándar)
    $\Delta H_r^{\ominus}$ Cambio de entalpía de reacción (反应焓变) para las cantidades mostradas en la ecuación
    $\Delta H_f^{\ominus}$ Cambio de entalpía de formación (生成焓变) un mol de un compuesto se forma a partir de sus elementos
    $\Delta H_c^{\ominus}$ Cambio de entalpía de combustión (燃烧焓变) un mol de una sustancia se quema completamente en oxígeno
    $\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$ Cambio de entalpía de neutralización (中和焓变) un mol de agua se forma a partir de un ácido y una base
    Dos procesos: la formación va de elementos a un mol de un compuesto; la combustión va de un mol de sustancia más oxígeno a dióxido de carbono y agua
    No los confunda: la formación construye 1 mol de un compuesto a partir de sus elementos; la combustión quema 1 mol de sustancia en oxígeno

    Energía de ruptura y formación de enlaces

    Durante una reacción, se rompen enlaces antiguos y se forman nuevos. Romper un enlace requiere energía (endotérmico); formar un enlace libera energía (exotérmico). El cambio de entalpía de la reacción es la diferencia entre ambos:

    $$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$

    La energía de enlace (键能) es la energía necesaria para romper un mol de un tipo específico de enlace en estado gaseoso, por lo que siempre es positiva. Algunas energías de enlace son exactas (para una molécula específica); otras son promedios tomados sobre muchas moléculas diferentes, por lo que los cálculos que las utilizan son solo aproximados.

    Ejemplo resuelto. Utilice las energías de enlace para hallar $\Delta H$ para $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Energías de enlace (kJ mol⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

    $$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
    Diagrama escalonado de energía: los reactivos ascienden hasta formar átomos gaseosos separados al romperse enlaces, luego descienden hacia los productos al formarse enlaces
    Romper enlaces absorbe energía; formar enlaces libera energía. $\Delta H$ es la diferencia entre ambas

    Medición del cambio de entalpía en el laboratorio

    Cuando una reacción calienta (o enfría) una masa conocida de agua o disolución, el calor transferido es:

    $$q = mc\Delta T$$

    donde $m$ es la masa, $c$ es la capacidad calorífica específica (比热容) (cuánta energía se necesita para elevar 1 g en 1 K), y $\Delta T$ es el cambio de temperatura. A continuación, el cambio de entalpía por mol viene dado por:

    $$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$

    El signo negativo hace que $\Delta H$ sea negativo cuando la temperatura sube (una reacción exotérmica).

    Ejemplo resuelto. Al quemar $0.50\ \text{g}$ de metanol ($M_r = 32$), la temperatura de $100\ \text{g}$ de agua aumenta $18\ ^{\circ}\text{C}$. Calcule el cambio de entalpía de combustión por mol. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)

    El calor liberado es $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. La cantidad quemada es $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, por lo tanto:

    $$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
    Vaso aislado con disolución, tapa y termómetro sumergido, utilizado para medir el cambio de temperatura
    Un vaso aislado y un termómetro miden el cambio de temperatura de una masa conocida de disolución
    Explorar

    Reacciones exotérmicas y endotérmicas

    Arrastra ΔH. Una reacción exotérmica libera energía (productos más bajos); una endotérmica la absorbe (productos más altos).

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ 焓变 hán biàn
    exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ 放热 fàng rè
    endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ 吸热 xī rè
    reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ 反应路径图 fǎn yìng lù jìng tú
    activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活化能 huó huà néng
    standard conditions/ˈstændəd kənˈdɪʃnz/ 标准条件 biāo zhǔn tiáo jiàn
    enthalpy change of reaction/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv rɪˈækʃn/ 反应焓变 fǎn yìng hán biàn
    enthalpy change of formation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv fɔːˈmeɪʃn/ 生成焓变 shēng chéng hán biàn
    enthalpy change of combustion/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv kəmˈbʌstʃn/ 燃烧焓变 rán shāo hán biàn
    enthalpy change of neutralisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 中和焓变 zhōng hé hán biàn
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
    specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 比热容 bǐ rè róng
    Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ 盖斯定律 gài sī dìng lǜ
    energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/ 能量循环 néng liàng xún huán
    5.2

    Ley de Hess

    Syllabus
    1. aplicar la ley de Hess para construir ciclos energéticos simples
    2. realizar cálculos utilizando ciclos y términos energéticos relevantes, incluyendo: (a) determinación de cambios de entalpía que no pueden obtenerse mediante experimento directo (b) uso de datos de energía de enlace

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La ley de Hess (盖斯定律) establece que el cambio total de entalpía para una reacción es el mismo, independientemente de la ruta seguida desde los reactivos hasta los productos. Esto se debe a que la energía se conserva.

    Esto permite dibujar un ciclo energético (能量循环): vincular los reactivos y los productos mediante un paso directo y una ruta indirecta, y luego sumar los pasos para que ambas rutas den el mismo total.

    Ciclo de Hess triangular que une directamente los reactivos y productos, y pasa por un intermedio, con los tres cambios de entalpía etiquetados
    La ruta directa equivale a la ruta indirecta, por lo que $\Delta H_r = \Delta H_1 + \Delta H_2$

    La ley de Hess resulta útil de dos formas:

    • Permite determinar un cambio de entalpía que no se puede medir directamente (por ejemplo, la formación de un compuesto que se forma lentamente o con reacciones secundarias).
    • Permite calcular $\Delta H_r$ a partir de datos de energía de enlace, o de datos de formación o combustión proporcionados en el enunciado.
    Explorar

    Ciclo de la Ley de Hess

    El cambio de entalpía es el mismo sin importar qué ruta se siga, por lo que un ΔH desconocido puede determinarse mediante una ruta alternativa.

    5.2

    Consejos para el examen

    • Defina cada cambio de entalpía especificando sus condiciones estándar exactas (p. ej., combustión = un mol quemado completamente en exceso de oxígeno).
    • Utilice $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; la ruptura es endotérmica ($+$), la formación es exotérmica ($-$): invertir los signos es el error clásico.
    • En $q = mc\Delta T$, utilice la masa del agua/disolución, divida después por los moles y añada el signo negativo para una reacción exotérmica.
    • Dibuje ciclos de Hess con flechas orientadas correctamente, siga la ruta alternativa y asigne siempre un signo y unidades ($\Delta H$) a $\text{kJ mol}^{-1}$.
  • 6

    Electroquímica

    Ver lección
    6.1

    Número de oxidación

    Syllabus
    1. calcular los números de oxidación de los elementos en compuestos e iones
    2. utilizar los cambios en los números de oxidación para ayudar a balancear ecuaciones químicas
    3. explicar y utilizar los términos redox, oxidación, reducción y dismutación en términos de transferencia de electrones y cambios en el número de oxidación
    4. explicar y utilizar los términos agente oxidante y agente reductor
    5. usar un numeral romano para indicar la magnitud del número de oxidación de un elemento

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El número de oxidación (también llamado estado de oxidación) indica cuántos electrones un átomo ha perdido o ganado en comparación con el elemento libre. Se calcula siguiendo reglas simples:

    • Un elemento no combinado tiene un número de oxidación de $0$.
    • Un ion simple tiene un número de oxidación igual a su carga (por ejemplo, $\text{Mg}^{2+}$ es $+2$).
    • El Grupo 1 siempre es $+1$, el Grupo 2 siempre es $+2$.
    • El hidrógeno es $+1$ (pero $-1$ en los hidruros metálicos).
    • El oxígeno es $-2$ (pero $-1$ en los peróxidos).
    • El flúor es siempre $-1$.
    • Los números de oxidación en un compuesto neutro suman $0$; en un ion, suman la carga.

    Un numeral romano indica la magnitud del número de oxidación de un elemento; por ejemplo, hierro(II) significa $+2$ y manganeso(VII) en $\text{KMnO}_4$ significa $+7$.

    Cálculo del número de oxidación del manganeso en KMnO4: el potasio es +1, los cuatro oxígenos dan -8, y como la suma debe ser cero, el manganeso debe ser +7
    Asignación de un número de oxidación: fije los átomos conocidos (K = +1, O = −2 cada uno), luego use "la suma es cero" para encontrar el desconocido (Mn = +7)

    Ejemplo resuelto. Encuentre el número de oxidación del azufre en el ion sulfato, $\text{SO}_4^{2-}$.

    Cada oxígeno es $-2$, por lo que los cuatro oxígenos contribuyen con $4 \times (-2) = -8$. En un ion, los números suman la carga, aquí $-2$. Si el azufre es $x$:

    $$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

    Ejemplo resuelto. Encuentre el número de oxidación del nitrógeno en el ion nitrato, $\text{NO}_3^-$.

    $$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 氧化数 yǎng huà shù
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
    6.1

    Redox en términos de electrones

    Varias pilas AA
    Una pila utiliza reacciones redox para mover electrones a través de un circuito.

    Una reacción redox es aquella en la que los electrones se mueven de una especie a otra.

    • La oxidación es la pérdida de electrones. El número de oxidación sube.
    • La reducción es la ganancia de electrones. El número de oxidación baja.

    Un truco mnemotécnico útil es OIL RIG: Oxidation Is Loss (Pérdida), Reduction Is Gain (Ganancia).

    La oxidación y la reducción siempre ocurren juntas, porque los electrones perdidos por una especie son ganados por otra. Esta transferencia de electrones es por lo que llamamos reacción redox.

    Zinc perdiendo dos electrones para convertirse en Zn2+ mientras los iones de cobre los ganan para convertirse en cobre, con una flecha que muestra la transferencia de electrones
    Redox es transferencia de electrones: el agente reductor pierde electrones (se oxida, número sube); el agente oxidante los gana (se reduce, número baja)
    Explorar

    Redox es transferencia de electrones

    Paso a paso: el metal pierde (se oxida) y el no metal gana (se reduce); el número de oxidación aumenta para uno, disminuye para el otro.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    redox/rɪˈdɒks/ 氧化还原 yǎng huà huán yuán
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    electron transfer/ɪˈlektrɒn ˈtrænsfɜː/ 电子转移 diàn zi zhuǎn yí
    6.1

    Uso de números de oxidación para balancear ecuaciones

    Los cambios en el número de oxidación le ayudan a balancear una ecuación redox:

    1. encuentre el elemento cuyo número de oxidación sube (se oxida) y el cuyo número baja (se reduce).
    2. el aumento total debe ser igual a la disminución total, porque cada electrón perdido es ganado en algún lugar.
    3. elija la proporción de las dos especies para que el aumento y la disminución coincidan, luego balancee el resto de la ecuación.
    Hierro subiendo de +2 a +3 en uno y manganeso bajando de +7 a +2 en cinco, así que cinco hierros equilibran un permanganato
    Balanceo de una ecuación redox: el aumento total en el número de oxidación debe ser igual a la disminución total, lo cual fija la proporción

    Ejemplo resuelto. Balancee la reacción del manganato(VII) con hierro(II) en medio ácido: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

    El manganeso baja de $+7$ a $+2$ (una disminución de $5$); el hierro sube de $+2$ a $+3$ (un aumento de $1$). Para que la disminución total sea igual al aumento total, tome $5$ iones de hierro por cada $1$ ion de manganato. Luego balancee el oxígeno con agua ($4\,\text{H}_2\text{O}$) y el hidrógeno con $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

    $$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$
    6.1

    Disproportionación

    La disproportionación es una reacción redox especial en la cual el mismo elemento es oxidado y reducido simultáneamente. Por ejemplo, cuando el cloro reacciona con agua fría, algunos átomos de cloro se reducen (a $\text{Cl}^-$) y otros se oxidan (a $\text{ClO}^-$).

    Línea de número de oxidación mostrando al cloro en 0 subiendo a +1 en ClO- y bajando a -1 en Cl-
    Disproportionación: el cloro ($0$) es oxidado a ClO$^-$ ($+1$) and reduced to Cl$^-$ ($-1$) al mismo tiempo
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ 歧化 qí huà
    oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 氧化剂 yǎng huà jì
    reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 还原剂 huán yuán jì
    6.1

    Agentes oxidantes y reductores

    Óxido en una superficie de hierro
    La oxidación del hierro por el oxígeno produce óxido.
    • Un agente oxidante extrae electrones de otra especie. Al hacerlo, se reduce él mismo.
    • Un agente reductor cede electrones a otra especie. Al hacerlo, se oxida él mismo.

    Por lo tanto, en cualquier reacción redox, el agente oxidante causa la oxidación de la otra especie, mientras que el agente reductor causa la reducción.

    6.1

    Consejos para exámenes

    • Aplique las reglas del número de oxidación en orden: O es $-2$ excepto en peróxidos ($-1$); H es $+1$ excepto en hidruros metálicos ($-1$).
    • En una ecuación redox, el aumento total es igual a la disminución total del número de oxidación — use esto para fijar la proporción, luego balancee O con $\text{H}_2\text{O}$ y H con $\text{H}^+$.
    • Un agente oxidante se reduce él mismo; nombre tanto lo que se oxida/reduce como al agente para obtener la puntuación completa.
    • La disproportionación es el mismo elemento oxidado y reducido — muestre ambos cambios en el número de oxidación.
  • 7

    Equilibrios

    Ver lección
    7.1

    Reacciones reversibles y equilibrio dinámico

    Syllabus
    1. (a) comprender qué se entiende por una reacción reversible (b) comprender qué se entiende por equilibrio dinámico en términos de que las velocidades de las reacciones directa e inversa sean iguales y las concentraciones de reactivos y productos permanezcan constantes (c) comprender la necesidad de un sistema cerrado para establecer el equilibrio dinámico
    2. definir el principio de Le Chatelier como: si se produce un cambio en un sistema en equilibrio dinámico, la posición del equilibrio se desplaza para minimizar dicho cambio
    3. utilizar el principio de Le Chatelier para deducir cualitativamente (a partir de información adecuada) los efectos de los cambios en temperatura, concentración, presión o presencia de un catalizador sobre un sistema en equilibrio
    4. deducir expresiones para las constantes de equilibrio en función de las concentraciones, $K_c$
    5. utilizar los términos fracción molar y presión parcial
    6. deducir expresiones para las constantes de equilibrio en función de las presiones parciales, $K_p$ (no es necesaria la utilización de la relación entre $K_p$ y $K_c$)
    7. utilizar las expresiones $K_c$ y $K_p$ para realizar cálculos (estos cálculos no requerirán la resolución de ecuaciones cuadráticas)
    8. calcular las cantidades presentes en el equilibrio, dados los datos adecuados
    9. indicar si los cambios en temperatura, concentración o presión o la presencia de un catalizador afectan al valor de la constante de equilibrio de una reacción
    10. describir y explicar las condiciones utilizadas en el proceso Haber y el proceso Contact, como ejemplos de la importancia de comprender el equilibrio dinámico en la industria química y la aplicación del principio de Le Chatelier

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Principio de Le Chatelier
    Equilibrio dinámico: las velocidades se igualan
    Cobalt(II) chloride solutions of different colours
    El cloruro de cobalto cambia de color a medida que su equilibrio se desplaza.

    Una reacción reversible 可逆反应 puede ir en ambos sentidos. La reacción directa 正反应 produce productos; la reacción inversa 逆反应 convierte los productos nuevamente en reactivos. Esto se representa con el símbolo $\rightleftharpoons$.

    En un sistema cerrado 封闭系统 (donde nada entra ni sale), la reacción alcanza un equilibrio dinámico 动态平衡 cuando:

    • la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.
    • las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes.

    Se denomina dinámico porque ambas reacciones continúan ocurriendo, pero se cancelan mutuamente. Se necesita un sistema cerrado, ya que si los productos escaparan, nunca se alcanzaría el equilibrio.

    Un gráfico donde la velocidad directa cae y la inversa sube hasta que las dos se encuentran y permanecen iguales
    En el equilibrio dinámico, las velocidades directa e inversa se han igualado, por lo que las concentraciones permanecen constantes
    Explorar

    Equilibrio dinámico

    velocidad directa = velocidad inversa

    En el equilibrio, la posición puede situarse en cualquier lugar: cambia una condición y observa cómo se desplaza.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ 可逆反应 kě nì fǎn yìng
    forward reaction/ˈfɔːwəd rɪˈækʃn/ 正反应 zhèng fǎn yìng
    reverse reaction/rɪˈvɜːs rɪˈækʃn/ 逆反应 nì fǎn yìng
    closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ 封闭系统 fēng bì xì tǒng
    dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 动态平衡 dòng tài píng héng
    Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ 勒夏特列原理 lēi xià tè liè yuán lǐ
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
    equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ 平衡常数 píng héng cháng shù
    Ver lección
    7.1

    Principio de Le Chatelier

    El principio de Le Chatelier 勒夏特列原理 establece que: si se modifica un sistema en equilibrio, la posición del equilibrio 平衡 se desplaza para oponerse (reducir) dicho cambio.

    Cambio realizado Dirección del desplazamiento del equilibrio
    aumentar la concentración de un reactivo hacia los productos
    aumentar la presión hacia el lado con menos moléculas gaseosas
    aumentar la temperatura hacia la dirección endotérmica
    añadir un catalizador 催化剂 sin desplazamiento (acelera ambas direcciones por igual)

    Un catalizador permite alcanzar el equilibrio más rápido, pero no modifica la posición del equilibrio.

    Tres cambios cada uno con una flecha mostrando hacia dónde se mueve el equilibrio: añadir reactivo hacia productos, aumentar presión hacia el lado con menos moléculas, aumentar temperatura en la dirección endotérmica
    Principio de Le Chatelier: el equilibrio siempre se desplaza para oponerse al cambio que se realiza
    Explorar

    Desplazando un equilibrio

    Cambia la temperatura, la presión o la concentración y observa cómo el equilibrio se desplaza para oponerse a tu cambio — el principio de Le Chatelier en acción.

    7.1

    Constantes de equilibrio

    Para una reacción en equilibrio, la constante de equilibrio 平衡常数 relaciona las cantidades de productos y reactivos. Para la reacción $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:

    $$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$

    donde los corchetes indican concentración en $\text{mol dm}^{-3}$.

    Ejemplo resuelto. En el equilibrio, la mezcla $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ contiene $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ y $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. Calcule $K_c$.

    $$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$

    (sin unidades aquí, porque los exponentes de concentración se cancelan arriba y abajo).

    Ejemplo resuelto (tabla ICE). $1.00\ \text{mol}$ de cada uno de $\text{H}_2$ y $\text{I}_2$ se sellan en un matraz de $1.00\ \text{dm}^3$; en el equilibrio queda $0.20\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$. Plantee una tabla ICE (Initial, Change, Equilibrium / Inicial, Cambio, Equilibrio):

    $\text{H}_2$ $\text{I}_2$ $2\text{HI}$
    Inicial 1.00 1.00 0
    Cambio $-0.80$ $-0.80$ $+1.60$
    Equilibrio 0.20 0.20 1.60

    $0.80\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$ reaccionó, por lo tanto se formó $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ HI. Dado que en el matraz de $1.00\ \text{dm}^3$ las concentraciones son iguales a los moles, entonces $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.

    Para reacciones de gases, utilizamos presión parcial 分压 en lugar de concentración. La presión parcial de un gas es la fracción de la presión total que aporta. Se calcula a partir de la fracción molar 摩尔分数 (la fracción de todos los moles que corresponde a ese gas):

    $$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$

    La constante escrita con presiones parciales es $K_p$.

    Ejemplo resuelto. Una mezcla de gases contiene $2.0\ \text{mol}$ de $\text{N}_2$ y $6.0\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$ a una presión total de $200\ \text{kPa}$. Calcule la presión parcial de cada gas.

    Hay un total de $8.0\ \text{mol}$, por lo tanto

    $$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$

    Ejemplo resuelto (un ejemplo numérico $K_p$). Para $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ las presiones parciales en el equilibrio son $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ y $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. Entonces

    $$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$
    las unidades provienen de $\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.

    Solo la temperatura cambia el valor de $K_c$ o $K_p$. Cambiar la concentración o la presión desplaza la posición del equilibrio pero deja la constante sin cambios; añadir un catalizador no cambia ni la constante ni la posición — solo hace que se alcance el equilibrio más rápido.

    Explorar

    Le Chatelier y Kc

    Cambia la temperatura, la presión o la concentración y observa cómo el equilibrio se desplaza para oponerse a ese cambio: Kc solo cambia con la temperatura.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    partial pressure/ˈpɑːʃl ˈpreʃə/ 分压 fēn yā
    mole fraction/məʊl ˈfrækʃn/ 摩尔分数 mó ěr fēn shù
    Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ 哈伯法 hā bó fǎ
    Contact process/ˈkɒntækt ˈprəʊses/ 接触法 jiē chù fǎ
    7.1

    Los procesos Haber y Contact

    A large industrial chemical complex
    La amoníaco para fertilizante se produce mediante el proceso Haber en grandes plantas industriales como esta.

    Estos dos procesos industriales se seleccionan equilibrando rendimiento, velocidad y costo utilizando el principio de Le Chatelier.

    • el proceso Haber 哈伯法 produce amoníaco: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (exotérmico). Utiliza aproximadamente $450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ y un catalizador de hierro. Una temperatura baja produciría más amoníaco, pero demasiado lentamente, por lo que una temperatura moderada es un compromiso.
    • el proceso Contact 接触法 produce trióxido de azufre: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ (exotérmico). Utiliza aproximadamente $450\,°\text{C}$, cerca de $1$–$2\ \text{atm}$ y un catalizador de óxido de vanadio(V).
    Un gráfico del rendimiento de amoniaco frente a la temperatura para tres presiones, el rendimiento disminuye con la temperatura y aumenta con la presión, con el punto de operación marcado
    El equilibrio de Haber produce más amoníaco a menor temperatura y mayor presión; aproximadamente $450\,°$ °C y $200$ atm es el compromiso operativo
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    Los procesos Haber y Contact

    compromiso: rendimiento vs velocidad

    La alta presión aumenta el rendimiento; la alta temperatura lo acelera pero disminuye el rendimiento — es un compromiso.

    7.2

    Ácidos y bases: la teoría de Brønsted–Lowry

    Syllabus
    1. Enunciar los nombres y fórmulas de los ácidos comunes, limitados al ácido clorhídrico, $\text{HCl}$, ácido sulfúrico, $\text{H}_2\text{SO}_4$, ácido nítrico, $\text{HNO}_3$ y ácido etanoico, $\text{CH}_3\text{COOH}$.
    2. Enunciar los nombres y fórmulas de las bases comunes, limitadas al hidróxido de sodio, $\text{NaOH}$, hidróxido de potasio, $\text{KOH}$ y amoníaco, $\text{NH}_3$.
    3. Describir la teoría de Brønsted–Lowry de ácidos y bases.
    4. Describir los ácidos fuertes y las bases fuertes como disociados completamente en solución acuosa, y los ácidos débiles y las bases débiles como disociados parcialmente en solución acuosa.
    5. Comprender que el agua tiene un pH de 7, las soluciones ácidas tienen un pH inferior a 7 y las soluciones alcalinas tienen un pH superior a 7.
    6. Explicar cualitativamente las diferencias de comportamiento entre ácidos fuertes y débiles, incluyendo la reacción con un metal reactivo y las diferencias en los valores de pH, mediante el uso de un medidor de pH, un indicador universal o una medición de conductividad.
    7. Comprender que las reacciones de neutralización ocurren cuando $\text{H}^+(\text{aq})$ y $\text{OH}^-(\text{aq})$ forman $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$.
    8. Comprender que las sales se forman en las reacciones de neutralización.
    9. Dibujar las curvas de titulación del pH de titulaciones utilizando combinaciones de ácidos fuertes y débiles con bases fuertes y débiles.
    10. Seleccionar indicadores adecuados para titulaciones ácido-base, dándose datos apropiados (no se utilizarán valores de $\text{p}K_a$).

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un protón 质子 es simplemente un ion $\text{H}^+$. La teoría de Brønsted–Lowry define ácidos y bases según lo que hacen con los protones:

    • un ácido 酸 es un donador de protones 质子供体 (cede $\text{H}^+$).
    • una base 碱 es un aceptor de protones 质子受体 (recibe $\text{H}^+$). Una base que se disuelve en agua se llama alcali.
    Cloruro de hidrógeno donando un protón a una molécula de agua, formando un ion hidroxonio y un ion cloruro, con los dos pares conjugados marcados
    Brønsted–Lowry: el ácido cede un protón ($\text{H}^+$) a la base, formando dos pares conjugados de ácido-base

    Ácidos comunes que debes conocer: ácido clorhídrico ($\text{HCl}$), ácido sulfúrico ($\text{H}_2\text{SO}_4$), ácido nítrico ($\text{HNO}_3$) y ácido etanoico ($\text{CH}_3\text{COOH}$). Bases comunes: hidróxido de sodio ($\text{NaOH}$), hidróxido de potasio ($\text{KOH}$) y amoníaco ($\text{NH}_3$).

    Explorar

    La escala de pH

    Desliza el pH o toca una sustancia; cada paso hacia abajo en el pH significa diez veces más iones H⁺; los ácidos están por debajo de 7, las bases alcalinas por encima.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
    base/beɪs/ 碱 jiǎn
    proton acceptor/ˈprəʊtɒn əkˈseptə/ 质子受体 zhì zi shòu tǐ
    strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 强酸 qiáng suān
    strong base/strɒŋ beɪs/ 强碱 qiáng jiǎn
    dissociated/dɪˈsəʊsɪeɪtɪd/ 解离 jiě lí
    7.2

    Ácidos y bases fuertes y débiles

    Esto se refiere a qué tan completamente un ácido o una base se separan en agua, no a su concentración.

    • Un ácido fuerte 强酸 o una base fuerte 强碱 está completamente disociado 解离 en agua (casi todas las moléculas se dividen en iones).
    • Un ácido débil 弱酸 o una base débil 弱碱 solo está parcialmente disociado (la mayoría de las moléculas permanecen enteras).
    Dos vasos a la misma concentración: el ácido fuerte lleno de iones separados, el ácido débil lleno de moléculas enteras con solo unos pocos iones
    Misma concentración, diferente ionización: un ácido fuerte está completamente disociado en iones; un ácido débil permanece principalmente como moléculas enteras

    La escala de pH mide la acidez de una solución: el agua pura tiene pH 7, los ácidos tienen menos de 7, y las bases tienen más de 7. Un ácido fuerte tiene un pH menor que un ácido débil de la misma concentración.

    Puedes distinguir entre ácidos fuertes y débiles por:

    • reacción con un metal reactivo: un ácido fuerte efervesce más rápido.
    • pH: medido con un potenciómetro de pH o indicador universal 通用指示剂.
    • conductividad eléctrica: un ácido fuerte conduce mejor, porque tiene más iones.
    Explorar

    Ácidos fuertes vs débiles

    Un ácido fuerte se ioniza completamente (pH bajo); un ácido débil solo se ioniza parcialmente, por lo que a la misma concentración su pH es más alto. Desliza para comparar.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    acid/ˈæsɪd/ 酸 suān
    proton donor/ˈprəʊtɒn ˈdəʊnə/ 质子供体 zhì zi gōng tǐ
    weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 弱酸 ruò suān
    weak base/wiːk beɪs/ 弱碱 ruò jiǎn
    universal indicator/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈɪndɪkeɪtə/ 通用指示剂 tōng yòng zhǐ shì jì
    Neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 中和 zhōng hé
    7.2

    Neutralización, sales y curvas de titulación

    La neutralización 中和 ocurre cuando los iones de hidrógeno de un ácido reaccionan con los iones de hidróxido de una base:

    $$\text{H}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$$

    También se forma una sal 盐, proveniente del resto del ácido y la base.

    En una titulación 滴定 agregas una solución a otra y sigues el pH. La curva de titulación 滴定曲线 tiene un salto pronunciado, casi vertical, cerca del punto final. La forma exacta depende de si cada reactante es fuerte o débil.

    Para elegir un indicador 指示剂, selecciona uno cuyo cambio de color caiga dentro de ese salto pronunciado. Para un ácido fuerte con una base fuerte, la mayoría de los indicadores funcionan; para un ácido débil con una base fuerte necesitas uno que cambie en el rango de pH más alto.

    Dos curvas de titulación de pH frente a base añadida, cada una con un salto pronunciado en el punto final; la curva del ácido débil salta sobre un rango de pH más alto, con una banda indicadora sombreada
    Cada curva de titulación tiene un salto pronunciado de pH en el punto final. El salto del ácido débil se sitúa más arriba, por lo que el indicador debe cambiar de color en ese rango
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    Una curva de titulación

    Añade álcali al ácido y observa cómo sube el pH. El salto empinado es el punto de equivalencia, donde el ácido se neutraliza justo.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    salt/sɒlt/ 盐 yán
    titration/taɪˈtreɪʃn/ 滴定 dī dìng
    titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/ 滴定曲线 dī dìng qū xiàn
    indicator/ˈɪndɪkeɪtə/ 指示剂 zhǐ shì jì
    7.2

    Consejos para el examen

    • Define equilibrio dinámico con los tres puntos: tasas directa e inversa iguales, concentraciones constantes, sistema cerrado.
    • Responde preguntas sobre Le Chatelier indicando el cambio, la dirección del desplazamiento y la razón; un catalizador no desplaza la posición (acelera ambas tasas).
    • Escribe $K_c$ como productos sobre reactivos, elevados a sus coeficientes estequiométricos; incluye estados físicos para decidir qué aparece.
    • Justifica las condiciones del proceso Haber/Contact como un compromiso entre rendimiento, velocidad y costo — no simplemente cítalas.
    • Brønsted: ácido = donador de protones, base = aceptora de protones; los pares conjugados difieren en un $\text{H}^+$.
  • 8

    Cinética de las reacciones

    Ver lección
    8.1

    Tasa de reacción

    Syllabus
    1. explicar y utilizar el término velocidad de reacción, frecuencia de colisiones, colisiones efectivas y colisiones no efectivas
    2. explicar cualitativamente, en términos de la frecuencia de colisiones efectivas, el efecto de los cambios en la concentración y la presión sobre la velocidad de una reacción
    3. utilizar datos experimentales para calcular la velocidad de una reacción

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Teoría de colisiones: energía y orientación

    La tasa de reacción 反应速率 es la velocidad con la que los reactivos se convierten en productos. Se mide como el cambio en la concentración (o cantidad) por cada unidad de tiempo.

    Para que ocurra una reacción, las partículas deben chocar 碰撞. La frecuencia de colisiones 碰撞频率 es la frecuencia con la que las partículas impactan entre sí. Sin embargo, no toda colisión conduce a una reacción:

    • una colisión efectiva 有效碰撞 tiene suficiente energía y la dirección correcta, por lo que ocurre una reacción.
    • una colisión inefectiva 无效碰撞 no tiene suficiente energía, o las partículas chocan en un ángulo incorrecto, por lo que nada sucede.

    Por lo tanto, la tasa depende de la frecuencia de colisiones efectivas — cuántas colisiones útiles ocurren por segundo.

    Dos moléculas colisionando: cuando sus extremos reactivos se alinean ocurre una reacción, pero con la orientación incorrecta no hay reacción
    Una colisión solo reacciona si tiene la orientación correcta y suficiente energía (extremidades coloreadas = parte reactiva)

    Concentración y presión

    Si aumenta la concentración de una solución (o la presión de un gas), las partículas están más juntas. Chocan con mayor frecuencia, por lo que hay más colisiones efectivas por segundo y la tasa aumenta.

    Dos cajas del mismo tamaño, la segunda conteniendo más partículas, las cuales por lo tanto colisionan con más frecuencia
    Más partículas en el mismo volumen chocan con mayor frecuencia, por lo que la velocidad aumenta

    Puede calcular una tasa a partir de datos experimentales — por ejemplo, el volumen de gas producido dividido por el tiempo transcurrido.

    Ejemplo resuelto. Una reacción libera dióxido de carbono. En los primeros $30\ \text{s}$, se recogen $48\ \text{cm}^3$ de gas. Encuentre la tasa promedio de reacción durante este intervalo.

    $$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

    La tasa es más rápida al inicio (la gráfica es más empinada allí) porque los reactivos tienen mayor concentración, luego disminuye a medida que se consumen.

    Explorar

    Velocidad de reacción

    [A] = [A]₀·bᵗ

    La concentración del reactante disminuye con el tiempo a medida que se consume.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ 反应速率 fǎn yìng sù lǜ
    collide/kəˈlaɪd/ 碰撞 pèng zhuàng
    collision frequency/kəˈlɪʒn ˈfriːkwənsi/ 碰撞频率 pèng zhuàng pín lǜ
    effective collision/ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ 有效碰撞 yǒu xiào pèng zhuàng
    non-effective collision/nɒn ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ 无效碰撞 wú xiào pèng zhuàng
    activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活化能 huó huà néng
    Ver lección
    8.2

    Temperatura y energía de activación

    Syllabus
    1. definir la energía de activación, $E_A$, como la energía mínima requerida para que una colisión sea efectiva
    2. esquematizar y utilizar la distribución de Boltzmann para explicar la importancia de la energía de activación
    3. explicar cualitativamente, en términos tanto de la distribución de Boltzmann como de la frecuencia de colisiones efectivas, el efecto del cambio de temperatura sobre la velocidad de una reacción

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Distribución de Maxwell-Boltzmann

    La energía de activación 活化能 ((\langle\text{$E_A$}\rangle)) es la energía mínima que necesita una colisión para ser efectiva.

    La distribución de Boltzmann 玻尔兹曼分布 es una gráfica que muestra cómo se distribuyen las energías de las moléculas a una temperatura dada. La curva comienza en el origen, asciende hasta un pico y luego desciende en una cola larga. El área total bajo la curva representa el número total de moléculas. Solo las moléculas a la derecha de (\langle\text{$E_A$}\rangle) tienen suficiente energía para reaccionar.

    Cuando aumenta la temperatura:

    • la curva se aplanan y se expanden hacia la derecha, por lo que una fracción mucho mayor de moléculas ahora tiene energía superior a (\langle\text{$E_A$}\rangle).
    • las moléculas también se mueven más rápido y chocan con mayor frecuencia.

    El primer efecto es el más grande. Por eso un pequeño aumento de temperatura produce un gran aumento en la tasa.

    Curvas de distribución de Boltzmann a una temperatura más baja y a una más alta, con la energía de activación marcada y la fracción que reacciona sombreada
    A mayor temperatura, la curva se expande hacia la derecha, permitiendo que una fracción mayor de moléculas reaccione
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    Por qué el calor acelera las reacciones

    Sube la temperatura: la curva se expande a la derecha, por lo que más moléculas tienen al menos la energía de activación y pueden reaccionar.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    Boltzmann distribution/ˈbɒltsmən ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 玻尔兹曼分布 bō ěr zī màn fēn bù
    Ver lección
    8.3

    Catalizadores

    Syllabus
    1. Explicar y utilizar los términos catalizador y catálisis: (a) explicar que, en presencia de un catalizador, una reacción sigue un mecanismo diferente, es decir, uno con menor energía de activación; (b) explicar este efecto catalítico en términos de la distribución de Boltzmann; (c) construir e interpretar un diagrama de ruta de reacción para una reacción en presencia y ausencia de un catalizador efectivo.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Perfil de reacción: ruta de menor energía de un catalizador

    Un catalizador 催化剂 acelera una reacción pero no se consume. Catalisis 催化作用 es el nombre de esta acción.

    Un catalizador funciona proporcionando a la reacción un mecanismo de reacción 反应机理 diferente — una nueva ruta con una menor energía de activación. En la distribución de Boltzmann, reducir (\langle\text{$E_A$}\rangle) desplaza la línea hacia la izquierda, por lo que más moléculas ahora tienen suficiente energía. Esto significa más colisiones efectivas por segundo y una tasa más rápida.

    En un diagrama de ruta de reacción 反应路径图, la ruta catalizada tiene una "colina" de energía más baja. El cambio de entalpía de la reacción, (\langle\text{$\Delta H$}\rangle), no es alterado por el catalizador.

    Diagrama de trayectoria de reacción comparando las rutas catalizada y no catalizada, con una barrera de energía de activación más baja para la ruta catalizada y el mismo cambio de entalpía
    Un catalizador ofrece una ruta con menor energía de activación; el cambio de entalpía permanece sin cambios

    Existen dos tipos:

    • un catalizador homogéneo 均相催化剂 está en el mismo estado físico que los reactivos — por ejemplo, un catalizador ácido disuelto en una solución líquida.
    • un catalizador heterogéneo 多相催化剂 está en un estado diferente al de los reactivos — por ejemplo, hierro sólido acelerando la reacción de gases en el proceso Haber.
    Dos paneles: un catalizador homogéneo mezclado con las partículas de reactivo en el mismo estado, y un catalizador heterogéneo como una superficie sólida separada con los reactivos encima
    Un catalizador homogéneo se mezcla con los reactivos (mismo estado); un catalizador heterogéneo es una superficie separada (estado diferente), donde los reactivos se encuentran y reaccionan
    Un bloque cilíndrico de convertidor catalítico con una superficie fina tipo panal — un catalizador heterogéneo real
    El convertidor catalítico de un automóvil es un catalizador heterogéneo; su estructura de panal ofrece una enorme área superficial
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    Catalizadores

    un catalizador reduce Ea

    Un catalizador reduce Ea, por lo que una mayor fracción de moléculas puede reaccionar —sin calentar.

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    Cómo funciona un catalizador

    Añade un catalizador y observa cómo baja la barrera de energía de activación — proporciona una ruta más fácil, sin cambiar ΔH.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
    catalysis/kæˈtæləsɪs/ 催化作用 cuī huà zuò yòng
    reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/ 反应机理 fǎn yìng jī lǐ
    reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ 反应路径图 fǎn yìng lù jìng tú
    homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/ 均相催化剂 jūn xiāng cuī huà jì
    heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/ 多相催化剂 duō xiāng cuī huà jì
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    8.3

    Consejos para el examen

    • Explique los cambios en la tasa usando la teoría de colisiones — colisiones efectivas más frecuentes y/o con mayor energía.
    • En una distribución de Boltzmann, marque (\langle\text{$E_A$}\rangle), sombree a su derecha y muestre cómo la curva se aplana y se desplaza a la derecha a mayor temperatura; comienza en el origen y nunca toca el eje.
    • Un catalizador proporciona una ruta alternativa con menor (\langle\text{$E_A$}\rangle) y no cambia (\langle\text{$\Delta H$}\rangle).
    • Explique por qué un pequeño aumento de temperatura produce un gran aumento en la tasa: una proporción mucho mayor de moléculas ahora supera (\langle\text{$E_A$}\rangle) (el efecto principal).
  • 9

    Tabla Periódica: periodicidad química

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    9.1

    Propiedades físicas a lo largo del Período 3

    Syllabus
    1. describir cualitativamente (e indicar la periodicidad en) las variaciones del radio atómico, radio iónico, punto de fusión y conductividad eléctrica de los elementos
    2. explicar la variación del punto de fusión y la conductividad eléctrica en términos de la estructura y el enlace de los elementos

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    A periodic table display
    Las propiedades se repiten en un patrón regular a lo largo de cada período de la tabla.

    Periodicidad 周期性 significa que las propiedades se repiten en un patrón regular a medida que avanzamos a lo largo de cada período 周期 de la Tabla Periódica. El Período 3 (Na a Ar) es el ejemplo estándar.

    Una fila de átomos desde sodio hasta cloro encogiéndose de izquierda a derecha, con la carga nuclear aumentando de +11 a +17
    El radio atómico disminuye a lo largo del Período 3: el aumento de la carga nuclear atrae la misma capa externa hacia adentro
    Propiedad Tendencia a lo largo del Período 3
    radio atómico 原子半径 disminuye (mayor carga nuclear atrae más la misma capa hacia adentro)
    radio iónico 离子半径 los iones positivos son pequeños; desde $\text{P}^{3-}$ hacia adelante, los iones negativos son más grandes
    punto de fusión 熔点 aumenta hasta alcanzar un máximo en el silicio, luego desciende bruscamente
    conductividad eléctrica 导电性 alta para Na, Mg, Al; casi cero desde Si hacia adelante

    El punto de fusión y la conductividad se derivan de la estructura y el enlace:

    • Na, Mg, Al son metálicos gigantes 金属晶体. Los puntos de fusión aumentan (Na → Al) porque cada átomo proporciona más electrones deslocalizados y los iones se hacen más pequeños, por lo que el enlace es más fuerte. Conducen bien la electricidad.
    • Si es molecular gigante 原子晶体 (covalente gigante). Tiene el punto de fusión más alto, porque deben romperse fuertes enlaces covalentes. Apenas conduce electricidad.
    • P, S, Cl, Ar son moléculas simples 分子晶体 (o átomos individuales). Sus puntos de fusión son bajos, porque las únicas fuerzas que se vencen son las débiles fuerzas de van der Waals 范德华力 entre las moléculas - los fuertes enlaces covalentes dentro de cada molécula nunca se rompen. No conducen electricidad.

    Nombra las fuerzas de van der Waals cuando expliques esa caída: es el punto clave para la calificación, y "los enlaces covalentes son débiles" es el error que lo pierde. La fusión $\text{S}_8$ separa moléculas enteras entre sí; no toca ningún enlace individual $\text{S–S}$. Sus tamaños aún siguen a la molécula: $\text{S}_8$ funde a una temperatura más alta que $\text{P}_4$ porque es más grande, tiene más electrones y, por tanto, fuerzas de van der Waals más fuertes, mientras que $\text{Ar}$ (un átomo único) es el más bajo de todos.

    Un gráfico del punto de fusión a través del Periodo 3 subiendo a través de los metales hasta un pico agudo en silicio, luego bajando a los elementos moleculares simples
    El punto de fusión a lo largo del Período 3 alcanza su máximo en el silicio (covalente gigante); es alto para los metales y bajo para los elementos moleculares simples
    Explorar

    Tendencias a través del Periodo 3

    Cambia entre radio atómico, energía de ionización y punto de fusión, y avanza por el Periodo 3 para ver cada tendencia periódica.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    periodicity/ˌpɪərɪˌɒˈdɪsɪti/ 周期性 zhōu qī xìng
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
    atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 原子半径 yuán zi bàn jìng
    ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/ 离子半径 lí zi bàn jìng
    melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 熔点 róng diǎn
    electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 导电性 dǎo diàn xìng
    giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/ 金属晶体 jīn shǔ jīng tǐ
    giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/ 原子晶体 yuán zi jīng tǐ
    simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/ 分子晶体 fēn zǐ jīng tǐ
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 氧化数 yǎng huà shù
    valence shell/ˈveɪləns ʃel/ 价层 jià céng
    9.2

    Propiedades químicas a lo largo del Período 3

    Syllabus
    1. describir y escribir ecuaciones para las reacciones de los elementos con oxígeno (para dar $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$), cloro (para dar $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$) y agua ($\text{Na}$ y $\text{Mg}$ solo).
    2. indicar y explicar la variación en el número de oxidación de los óxidos ($\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ y $\text{SO}_3$ solo) y cloruros ($\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ solo) en términos de sus electrones de capa externa (capa de valencia).
    3. describir y escribir ecuaciones para las reacciones, si las hubiere, de los óxidos $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ y $\text{SO}_3$ con agua, incluyendo los posibles valores de pH de las soluciones obtenidas.
    4. describir, explicar y escribir ecuaciones para el comportamiento ácido/base de los óxidos $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ y $\text{SO}_3$ y los hidróxidos $\text{NaOH}$, $\text{Mg(OH)}_2$ y $\text{Al(OH)}_3$, incluyendo, cuando corresponda, el comportamiento anfótero en reacciones con ácidos y bases (solo hidróxido de sodio).
    5. describir, explicar y escribir ecuaciones para las reacciones de los cloruros $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ con agua, incluyendo los posibles valores de pH de las soluciones obtenidas.
    6. explicar las variaciones y tendencias en 9.2.2, 9.2.3, 9.2.4 y 9.2.5 en términos de enlace y electronegatividad.
    7. sugerir los tipos de enlace químico presentes en los cloruros y óxidos a partir de observaciones de sus propiedades químicas y físicas.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Reacciones con oxígeno, cloro y agua

    Con oxígeno:

    $$4\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Na}_2\text{O} \qquad 2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO} \qquad 4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$$
    $$\text{P}_4 + 5\text{O}_2 \rightarrow \text{P}_4\text{O}_{10} \qquad \text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$$

    Con cloro:

    $$2\text{Na} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl} \qquad \text{Mg} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{MgCl}_2 \qquad 2\text{Al} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{AlCl}_3$$
    $$\text{Si} + 2\text{Cl}_2 \rightarrow \text{SiCl}_4 \qquad 2\text{P} + 5\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{PCl}_5$$

    Con agua (solo Na y Mg reaccionan):

    $$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 + \text{H}_2$$

    El sodio reacciona rápidamente; el magnesio reacciona solo muy lentamente con agua fría.

    Número de oxidación de los óxidos y cloruros

    El número de oxidación 氧化数 del elemento del Período 3 en su óxido o cloruro aumenta a lo largo del período, porque es igual al número de electrones 电子 externos (capa de valencia 价层) que el átomo utiliza para formar enlaces:

    Óxidos $\text{Na}_2\text{O}$ $\text{MgO}$ $\text{Al}_2\text{O}_3$ $\text{P}_4\text{O}_{10}$ $\text{SO}_2$ / $\text{SO}_3$
    número de oxidación $+1$ $+2$ $+3$ $+5$ $+4$ / $+6$

    Los cloruros $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ muestran números de oxidación $+1$ a $+5$ de la misma manera.

    Óxidos con agua y comportamiento ácido-base

    A lo largo del período, los óxidos 氧化物 cambian de básicos a ácidos:

    Una barra de colores dividida en regiones básicas, anfóteras y ácidas, con los óxidos del Periodo 3 colocados a lo largo de ella desde Na2O hasta SO3 y valores de pH aproximados
    Los óxidos del Período 3 cambian de básicos (los metales) a anfotéricos (Al$_2$O$_3$) y luego a ácidos (los no metales)
    Óxido Con agua Naturaleza ácido-base pH aproximado
    $\text{Na}_2\text{O}$ $\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$ básico 13–14
    $\text{MgO}$ $\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2$ básico 9–10
    $\text{Al}_2\text{O}_3$ insoluble anfotérico 两性 7
    $\text{SiO}_2$ insoluble débilmente ácido 7
    $\text{P}_4\text{O}_{10}$ $\text{P}_4\text{O}_{10} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}_3\text{PO}_4$ ácido 1–2
    $\text{SO}_3$ $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ fuertemente ácido 0–1

    Los óxidos metálicos (izquierda) son básicos; los óxidos de no metales (derecha) son ácidos. $\text{Al}_2\text{O}_3$ y su hidróxido 氢氧化物 $\text{Al(OH)}_3$ son anfotéricos — reaccionan con tanto ácidos como bases:

    $$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
    $$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAl(OH)}_4$$
    Óxido de aluminio en el centro reaccionando hacia la izquierda con ácido y hacia la derecha con base
    El óxido de aluminio es anfotérico — reacciona con ácidos (comportándose como una base) y con bases (comportándose como un ácido)

    Cloruros con agua

    • $\text{NaCl}$ y $\text{MgCl}_2$ son iónicos. Simplemente se disuelven, dando una solución casi neutra.
    • $\text{SiCl}_4$ y $\text{PCl}_5$ son covalentes. Sufren hidrólisis 水解 (reaccionan con el agua) para formar soluciones ácidas y humos de $\text{HCl}$:
    $$\text{SiCl}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiO}_2 + 4\text{HCl} \qquad \text{PCl}_5 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{PO}_4 + 5\text{HCl}$$
    Dos rutas: los cloruros iónicos se disuelven dando una solución neutra, mientras que los cloruros covalentes se hidrolizan dando una solución ácida y vapores de HCl
    Los cloruros iónicos simplemente se disuelven (neutros); los cloruros covalentes reaccionan con el agua (hidrólisis) para dar una solución ácida y humos de HCl

    Explicando las tendencias

    Estas tendencias se derivan del cambio en el enlace y la electronegatividad. A la izquierda, los elementos son metales con baja electronegatividad, por lo que sus óxidos y cloruros son iónicos y básicos (o neutrales). A la derecha, los elementos son no metales con alta electronegatividad, por lo que sus óxidos y cloruros son covalentes y ácidos. Se pueden utilizar las propiedades de un cloruro u óxido (punto de fusión, conductividad, efecto sobre el agua) para sugerir si su enlace es iónico o covalente.

    Ejemplo resuelto. Prediga el pH cuando $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$ y $\text{SO}_3$ se añaden cada uno al agua. El carácter ácido-base sigue el cambio de metal a no metal a través del Período 3. $\text{Na}_2\text{O}$ es iónico y básico: se disuelve para formar $\text{NaOH}$, por lo que el pH es aproximadamente 13. $\text{SO}_3$ es covalente y ácido: reacciona para formar $\text{H}_2\text{SO}_4$, por lo que el pH es aproximadamente 1. $\text{Al}_2\text{O}_3$ se encuentra en el punto de transición; es anfotérico y esencialmente insoluble en el agua, por lo que el pH permanece alrededor de 7. La trampa está en este último: anfotérico no significa neutro, significa que el óxido reacciona tanto con ácidos como con álcalis; simplemente no reacciona con el agua.

    Explorar

    Laboratorio de reacciones del Período 3

    Clasificar las reacciones del Período 3 según lo que revelan sobre enlaces y acidez.

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    Ruta de hidrólisis de óxidos y cloruros

    Seguir cómo los óxidos y cloruros del Período 3 cambian el pH en agua.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    oxide/ˈɒksaɪd/ 氧化物 yǎng huà wù
    amphoteric/ˌæmfəʊˈterɪk/ 两性 liǎng xìng
    hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/ 氢氧化物 qīng yǎng huà wù
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 电负性 diàn fù xìng
    van der Waals' forces/ˈvændɜː wɑːlz ˈfɔːsɪz/ 范德华力 fàn dé huá lì
    9.3

    Periodicidad de otros elementos

    Syllabus
    1. Predecir las propiedades características de un elemento en un grupo dado mediante el uso del conocimiento sobre la periodicidad química.
    2. Deducir la naturaleza, la posible posición en la Tabla Periódica y la identidad de elementos desconocidos a partir de información dada sobre sus propiedades físicas y químicas.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La misma idea funciona para cualquier grupo. Si conoce el patrón hacia abajo en un grupo y a través de un período, puede:

    • predecir las propiedades de un elemento a partir de su posición (por ejemplo, un elemento del Grupo 1 será un metal reactivo que forma un ion $+1$).
    • deducir la posición probable e identidad de un elemento desconocido a partir de sus propiedades físicas y químicas.
    Explorar

    Tendencias periódicas

    Cruza el Período 3 para ver cómo sube o baja una propiedad, y luego se repite en el siguiente período — ese patrón recurrente es la periodicidad.

    9.3

    Consejos para el examen

    • Empareje siempre la tendencia con su razón: el radio atómico disminuye a través del Período 3 (carga nuclear creciente, apantallamiento similar).
    • Explique el patrón de puntos de fusión según la estructura: metálica gigante (Na→Al), covalente gigante (Si, más alto), luego molecular simple ($\text{P}_4$, $\text{S}_8$, $\text{Cl}_2$) y monatómica (Ar).
    • Los óxidos van de básicos → anfotéricos ($\text{Al}_2\text{O}_3$) → ácidos a través del período; vincule esto con el enlace iónico-covalente.
    • Para las reacciones de óxidos/cloruros con el agua, indique los productos y el pH resultante.
  • 10

    Grupo 2

    Ver lección
    10.1

    Los metales del Grupo 2

    Syllabus
    1. describir, y escribir ecuaciones para, las reacciones de los elementos con oxígeno, agua y ácidos clorhídrico y sulfúrico diluidos
    2. describir, y escribir ecuaciones para, las reacciones de los óxidos, hidróxidos y carbonatos con agua y ácidos clorhídrico y sulfúrico diluidos
    3. describir, y escribir ecuaciones para, la descomposición térmica de los nitratos y carbonatos, incluyendo la tendencia en las estabilidades térmicas
    4. describir, y hacer predicciones basadas en, las tendencias en las propiedades físicas y químicas de los elementos implicados en las reacciones de 10.1.1 y los compuestos implicados en 10.1.2, 10.1.3 y 10.1.5
    5. indicar la variación en las solubilidades de los hidróxidos y sulfatos

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Coastal limestone cliffs of calcium carbonate
    La piedra caliza es carbonato de calcio — un compuesto del metal del Grupo 2, el calcio.

    El Grupo 族 2 contiene los metales magnesio, calcio, estroncio y bario. Todos tienen dos electrones en su capa externa, que pierden para formar $2+$ iones. Al bajar por el grupo, los átomos se hacen más grandes y los electrones externos son más fáciles de perder, por lo que los metales se vuelven más reactivos — su reactividad 反应活性 aumenta al descender por el grupo.

    Átomos del Grupo 2 creciendo en tamaño desde magnesio hasta bario, junto a una flecha hacia abajo etiquetada como reactividad aumenta
    La reactividad aumenta al bajar por el Grupo 2: los átomos más grandes mantienen sus dos electrones externos con menos fuerza, por lo que se pierden con mayor facilidad.

    Reacciones de los elementos

    Con oxígeno, se queman formando un óxido:

    $$2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$$
    Una tira de magnesio sostenida con pinzas arde con una luz blanca deslumbrante, desprendiendo humo blanco de óxido de magnesio
    El magnesio arde en el aire con una llama blanca brillante, formando óxido de magnesio blanco.

    Con agua, forman un hidróxido e hidrógeno. La reacción se acelera al bajar por el grupo:

    $$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2$$

    El magnesio es lento con agua fría pero reacciona rápidamente con vapor de agua, dando $\text{MgO}$ y $\text{H}_2$.

    Con ácido clorhídrico o sulfúrico diluido, forman una sal e hidrógeno:

    $$\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2$$

    Con ácido sulfúrico, la reacción disminuye al bajar por el grupo, porque las sulfatos 硫酸盐 formados (como $\text{BaSO}_4$) son insolubles y recubren el metal.

    Reacciones de los compuestos

    Los óxidos 氧化物 y los hidróxidos 氢氧化物 son básicos. Reaccionan con agua y con ácidos diluidos:

    $$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 \qquad \text{Mg(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

    Los carbonatos 碳酸盐 reaccionan con ácidos diluidos para dar una sal, agua y dióxido de carbono:

    $$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

    Descomposición térmica

    La descomposición térmica 热分解 significa descomponer un compuesto calentándolo.

    • los carbonatos se descomponen en el óxido y dióxido de carbono:
    $$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$$
    • los nitratos 硝酸盐 se descomponen en el óxido, gas dióxido de nitrógeno marrón y oxígeno:
    $$2\text{Ca(NO}_3)_2 \rightarrow 2\text{CaO} + 4\text{NO}_2 + \text{O}_2$$

    La estabilidad térmica 热稳定性 de los carbonatos y de los nitratos aumenta al descender por el grupo. Un ion metálico más grande ejerce menos atracción sobre el ion carbonato o nitrato, por lo que el compuesto es más difícil de descomponer — necesita una temperatura más alta. Así, el carbonato de magnesio se descompone con mayor facilidad, mientras que el carbonato de bario es el más difícil de descomponer.

    Un pequeño ion magnesio distorsionando fuertemente un ion carbonato junto a un gran ion bario que apenas lo distorsiona
    La estabilidad térmica aumenta al descender por el grupo: un catión pequeño polariza (distorsiona) más al ion carbonato, debilitándolo para que se descomponga con mayor facilidad

    Tendencias en la solubilidad

    Compuesto Tendencia de la solubilidad 溶解度 al descender por el grupo
    hidróxidos aumenta (Mg(OH)$_2$ casi insoluble; Ba(OH)$_2$ soluble)
    sulfatos disminuye (MgSO$_4$ soluble; BaSO$_4$ insoluble)
    Dos líneas a escala logarítmica que se cruzan: la solubilidad de hidróxidos aumenta de Mg a Ba y la solubilidad de sulfatos disminuye
    Al descender por el Grupo 2, los hidróxidos se vuelven más solubles mientras que los sulfatos se vuelven menos solubles (observar la escala logarítmica)

    A partir de estas tendencias se pueden predecir las propiedades del siguiente elemento hacia abajo, el radio, y sus compuestos.

    Ejemplo resuelto. $\text{MgCO}_3$ se descompone a unos $540\ °\text{C}$ y $\text{BaCO}_3$ a unos $1360\ °\text{C}$. Explique la tendencia y prediga dónde se sitúa $\text{CaCO}_3$. Al ir hacia abajo en el Grupo 2, el catión se hace más grande, por lo que su carga se distribuye sobre una superficie mayor y su poder polarizante disminuye. Un catión menos polarizante distorsiona menos al ion carbonato, por lo que el enlace $\text{C-O}$ se debilita menos y se necesita más calor para romperlo. Por tanto, la estabilidad térmica aumenta al descender por el grupo, y $\text{CaCO}_3$, situado entre Mg y Ba, se descompone a una temperatura intermedia de aproximadamente $900\ °\text{C}$. Argumente toda la cadena —tamaño del catión, luego poder polarizante, luego distorsión del anión—; "es más reactivo" no explica nada aquí.

    Explorar

    Escalera de reactividad del grupo 2

    Desciende por el Grupo 2 y observa por qué las reacciones se vuelven más vigorosas.

    Explorar

    Laboratorio de tendencias del Grupo 2

    Comparar las tendencias de estabilidad térmica y solubilidad en el Grupo 2.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    group/ɡruːp/ 族 zú
    reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ 反应活性 fǎn yìng huó xìng
    sulfate/ˈsʌlfeɪt/ 硫酸盐 liú suān yán
    oxide/ˈɒksaɪd/ 氧化物 yǎng huà wù
    hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/ 氢氧化物 qīng yǎng huà wù
    carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 碳酸盐 tàn suān yán
    thermal decomposition/ˈθɜːml ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/ 热分解 rè fēn jiě
    nitrate/ˈnaɪtreɪt/ 硝酸盐 xiāo suān yán
    thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 热稳定性 rè wěn dìng xìng
    solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 溶解度 róng jiě dù
    10.1

    Consejos para el examen

    • La reactividad aumenta hacia abajo en el Grupo 2: la energía de ionización disminuye a medida que los átomos crecen, por lo que los electrones se pierden con mayor facilidad.
    • Las reacciones con el agua se vuelven más vigorosas al descender por el grupo; el Mg reacciona lentamente con agua fría pero rápidamente con vapor (→ MgO).
    • Los hidróxidos se vuelven más solubles al descender por el grupo; los sulfatos se vuelven menos solubles ($\text{BaSO}_4$ insoluble — base de la prueba de sulfatos).
    • Escriba ecuaciones con el ion correcto $+2$ y mencione las observaciones (efervescencia, disolución).
  • 11

    Grupo 17

    Ver lección
    11.1

    Propiedades físicas de los halógenos

    Syllabus
    1. describir los colores y la tendencia en la volatilidad del cloro, el bromo y el yodo
    2. describir y explicar la tendencia en la fuerza del enlace de las moléculas halógenas
    3. interpretar la volatilidad de los elementos en términos de fuerzas dipolo instantáneo-dipolo inducido

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Bromo: un líquido oscuro que desprende vapores naranjas en un ampolla sellada
    El bromo es un halógeno del Grupo 17 —un líquido oscuro que desprende vapores naranjas.

    Los halógenos son los elementos del Grupo 17. Existen como moléculas diatómicas ($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$). Al descender por el grupo:

    Elemento Color y estado a temperatura ambiente
    cloro gas verde pálido
    bromo líquido rojo-marrón
    yodo sólido gris-negro (vapor morado)

    La volatilidad (la facilidad con la que una sustancia se convierte en vapor) disminuye al descender por el grupo: el cloro es un gas, pero el yodo es un sólido. Esto ocurre porque las moléculas se hacen más grandes y tienen más electrones, por lo que las fuerzas entre ellas de dipolo instantáneo y dipolo inducido se vuelven más fuertes. Las fuerzas más fuertes son más difíciles de romper, por lo que aumenta el punto de ebullición y disminuye la volatilidad.

    Tres frascos de gas: cloro como gas verde pálido, bromo como líquido rojo-marrón, yodo como sólido gris-negro
    Al descender por el Grupo 17, los halógenos cambian de gas verde pálido a líquido rojo-marrón y luego a sólido gris-negro a medida que disminuye la volatilidad

    La energía de enlace (fuerza del enlace) de las moléculas $\text{X}\text{–}\text{X}$ generalmente disminuye desde $\text{Cl}_2$ hasta $\text{I}_2$, porque los electrones compartidos están más lejos de los núcleos en los átomos más grandes.

    Explorar

    Laboratorio de tendencias físicas de los halógenos

    Siga a los halógenos hacia abajo en el grupo y relacione estado, color y volatilidad.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    halogen/ˈhælədʒn/ 卤素 lǔ sù
    group/ɡruːp/ 族 zú
    volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ 挥发性 huī fā xìng
    instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/ 瞬时偶极 shùn shí ǒu jí
    induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/ 诱导偶极 yòu dǎo ǒu jí
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
    oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 氧化剂 yǎng huà jì
    hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ 卤化氢 lǔ huà qīng
    thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 热稳定性 rè wěn dìng xìng
    halide ion/ˈhælaɪd ˈaɪɒn/ 卤离子 lǔ lí zi
    reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 还原剂 huán yuán jì
    ammonia/æˈməʊnɪə/ 氨 ān
    11.2

    Propiedades químicas de los halógenos y los haluros de hidrógeno

    Syllabus
    1. describir la reactividad relativa de los elementos como agentes oxidantes
    2. describir las reacciones de los elementos con el hidrógeno y explicar su reactividad relativa en estas reacciones
    3. describir las estabilidades térmicas relativas de los hidruros halogénicos y explicarlas en términos de fuerzas de enlace

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los halógenos como agentes oxidantes

    Cada halógeno reacciona ganando un electrón para formar un ion $1-$, actuando así como un agente oxidante. Este poder disminuye al descender por el grupo, porque los átomos más grandes atraen un electrón extra con menos fuerza. Un halógeno más reactivo puede desplazar a uno menos reactivo de su sal:

    Añadido cloro a bromuro de potasio incoloro hace que la solución se vuelva naranja al desplazarse el bromo
    El cloro desplaza al bromo: la solución se vuelve naranja
    $$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

    Reacciones con el hidrógeno

    Cada halógeno reacciona con el hidrógeno para formar un haluro de hidrógeno:

    $$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

    La reacción se vuelve menos vigorosa al descender por el grupo: el cloro reacciona explosivamente a la luz, el bromo necesita calor, y el yodo reacciona lentamente y solo parcialmente.

    Estabilidad térmica de los haluros de hidrógeno

    La estabilidad térmica de los haluros de hidrógeno disminuye al descender por el grupo. El enlace H–X se debilita a medida que el átomo de halógeno se hace más grande, por lo que el HI se descompone con un ligero calentamiento mientras que el HCl es muy estable.

    Explorar

    Laboratorio de halógenos y haluros de hidrógeno

    Clasificar la química de los halógenos según su fuerza oxidante y reductora.

    11.3

    Reacciones de los iones haluro

    Syllabus
    1. describir la reactividad relativa de los iones haluro como agentes reductores
    2. describir y explicar las reacciones de los iones haluro con: (a) iones de plata en disolución acuosa seguidos de amoníaco acuoso (no se requiere la formación ni la fórmula del complejo $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$) (b) ácido sulfúrico concentrado, incluyendo ecuaciones químicas balanceadas

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Iones haluro como agentes reductores

    Un ion haluro (como $\text{Cl}^-$) puede ceder un electrón, actuando como un agente reductor. Este poder aumenta al descender por el grupo, porque un ion más grande mantiene su electrón externo con menos firmeza.

    Dos columnas descendiendo por el grupo: los halógenos con una flecha hacia abajo indicando disminución del poder oxidante, y los iones haluro con una flecha hacia arriba indicando aumento del poder reductor
    Tendencias opuestas: el poder oxidante de los halógenos disminuye al descender por el grupo, mientras que el poder reductor de los iones haluro aumenta

    Reacción con iones plateados acuosos

    Añada nitrato de plata acuoso, seguido de amoníaco acuoso, para identificar el haluro según el color del precipitado de haluro de plata:

    Haluro Precipitado con $\text{Ag}^+$ Solubilidad en amoníaco
    $\text{Cl}^-$ blanco se disuelve en amoníaco diluido
    $\text{Br}^-$ crema se disuelve solo en amoníaco concentrado
    $\text{I}^-$ amarillo insoluble en amoníaco
    Tres tubos de ensayo con precipitados de haluro de plata: cloruro de plata blanco, bromuro de plata crema y yoduro de plata amarillo
    Precipitados de haluro de plata: AgCl es blanco, AgBr crema y AgI amarillo —y su solubilidad en amoníaco confirma qué haluro está presente
    Tres tubos de ensayo reales en un soporte de madera, etiquetados AgCl, AgBr y AgI, conteniendo de izquierda a derecha un precipitado blanco, uno crema pálido y uno amarillo pálido
    La prueba de haluro de plata: AgCl es blanco, AgBr crema y AgI amarillo

    Reacción con ácido sulfúrico concentrado

    Todos los haluros producen primero el haluro de hidrógeno. Los haluros inferiores son luego oxidados por el ácido, ya que son agentes reductores más fuertes:

    $$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
    • El cloruro produce solo $\text{HCl}$ (sin redox).
    • El bromuro también produce algo de $\text{Br}_2$ marrón y $\text{SO}_2$.
    • El yoduro produce $\text{I}_2$ y gases malolientes como $\text{H}_2\text{S}$ y $\text{SO}_2$, porque $\text{I}^-$ es el agente reductor más fuerte.
    Tres filas: el cloruro da solo HCl, el bromuro da también bromo y dióxido de azufre, el yoduro da yodo, sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre, con una flecha que muestra que el poder reductor aumenta al descender por el grupo
    Con ácido sulfúrico concentrado, el cloruro produce solo HCl, pero el bromuro y el yoduro (agentes reductores más fuertes) también se oxidan al halógeno
    Explorar

    Laboratorio de prueba de ion haluro

    Relacionar la evidencia del ion haluro con el ion presente.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 沉淀 chén diàn
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 氧化数 yǎng huà shù
    disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ 歧化 qí huà
    water purification/ˈwɔːtə ˌpjʊərɪfɪˈkeɪʃn/ 水净化 shuǐ jìng huà
    11.4

    Reacciones del cloro

    Syllabus
    1. Describir e interpretar, en términos de cambios en el número de oxidación, la reacción del cloro con hidróxido sódico acuoso frío y caliente, y reconocerlas como reacciones de dismutación
    2. Explicar, incluyendo mediante una ecuación, el uso del cloro en la purificación del agua, para incluir la producción de las especies activas $\text{HOCl}$ y $\text{ClO}^-$ que matan a las bacterias

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Recipientes de cloro líquido para piscinas
    Se añade cloro al agua de las piscinas para eliminar microbios.

    Con hidróxido de sodio

    Con hidróxido de sodio frío y diluido, el cloro reacciona para formar cloruro y hipoclorito(I):

    $$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

    Con hidróxido de sodio caliente y concentrado, forma cloruro y clorato(V):

    $$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

    En ambos casos, el número de oxidación del cloro sube y baja (desde $0$), por lo que ambas son reacciones de disproporción.

    Cloro en la purificación del agua

    Se añade un poco de cloro al agua para la purificación del agua. Reacciona con el agua:

    $$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

    La especie activa $\text{HOCl}$ y $\text{ClO}^-$ matan las bacterias, haciendo que el agua sea segura para beber.

    Ejercicio resuelto. Se calienta ligeramente sólido $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ y $\text{NaI}$ por separado con $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado. Prediga los productos. El poder reductor aumenta al descender por el grupo, por lo que el grado en que cada haluro reduce al ácido sulfúrico varía. El $\text{Cl}^{-}$ es demasiado débil para reducirlo, por lo que solo obtiene $\text{HCl}$ vaporoso —una reacción ácido-base. El $\text{Br}^{-}$ lo reduce un poco: $\text{HBr}$ más $\text{Br}_2$ marrón y $\text{SO}_2$. El $\text{I}^{-}$ es el agente reductor más fuerte: $\text{HI}$ más $\text{I}_2$, y empuja todo el azufre hasta el $\text{H}_2\text{S}$, con su olor a huevo podrido. Todo haluro produce primero el haluro de hidrógeno; los productos adicionales aparecen solo donde el haluro es un agente reductor lo suficientemente fuerte como para atacar al azufre.

    Explorar

    Ruta de reacción del cloro

    Seguir al cloro desde el tratamiento de agua hasta las reacciones redox.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    bacteria/bækˈtɪərɪə/ 细菌 xì jūn
    11.4

    Consejos para el examen

    • Los halógenos se vuelven menos reactivos al descender por el grupo (más difícil ganar un electrón); disminuye el poder oxidante.
    • Desplazamiento: un halógeno más reactivo desplaza a un haluro menos reactivo —indique el cambio de color.
    • Pruebe los iones haluro con $\text{AgNO}_3$: blanco ($\text{Cl}^-$), crema ($\text{Br}^-$), amarillo ($\text{I}^-$), y luego confirme con amoníaco diluido/concentrado.
    • La reacción del cloro con agua y con $\text{NaOH}$ frío son de disproporción —muestre los cambios en los números de oxidación.
  • 12

    Nitrógeno y azufre

    Ver lección
    12.1

    Por qué el nitrógeno es poco reactivo

    Syllabus
    1. explicar la falta de reactividad del nitrógeno, con referencia a la fuerza del enlace triple y la ausencia de polaridad
    2. describir y explicar: (a) la basicidad del amoníaco, utilizando la teoría de Brønsted–Lowry (b) la estructura del ion amonio y su formación mediante una reacción ácido-base (c) el desplazamiento del amoníaco de las sales de amonio mediante una reacción ácido-base
    3. exponer y explicar los orígenes naturales y antropogénicos de los óxidos de nitrógeno y su eliminación catalítica en los gases de escape de los motores de combustión interna
    4. comprender que los óxidos de nitrógeno atmosféricos ($\text{NO}$ y $\text{NO}_2$) pueden reaccionar con hidrocarburos no quemados para formar peroxiacetilnitrato, PAN, que es un componente del smog fotoquímico
    5. describir el papel del $\text{NO}$ y el $\text{NO}_2$ en la formación de lluvia ácida, tanto directamente como en su función catalítica en la oxidación del dióxido de azufre atmosférico

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El gas nitrógeno, $\text{N}_2$, constituye la mayor parte del aire pero reacciona con muy pocas sustancias. Hay dos razones:

    • los dos átomos de nitrógeno están unidos por un enlace triple 三键, que tiene una energía de enlace 键能 muy alta. Se necesita mucha energía para romperlo.
    • la molécula no tiene polaridad 极性 — es perfectamente simétrica, por lo que nada atrae otras moléculas hacia ella.
    Dos átomos de nitrógeno unidos por un enlace triple, cada uno con un par solitario, etiquetado como un enlace fuerte y una molécula simétrica y apolar
    El nitrógeno es poco reactivo por dos razones: un enlace triple muy fuerte y una molécula simétrica y no polar
    Explorar

    La forma del amoníaco

    El amoníaco tiene tres pares de enlace y un par libre: el par libre empuja los enlaces hacia abajo formando una forma piramidal (aproximadamente 107°).

    12.1

    Amoníaco e ion amonio

    A large industrial chemical complex
    El amoníaco se convierte en fertilizantes nitrogenados en plantas industriales a gran escala.

    Basicidad del amoníaco

    La basicidad 碱性 del amoníaco (su capacidad para actuar como base) proviene del par libre 孤对电子 de electrones en el átomo de nitrógeno. Según la teoría de Brønsted–Lowry, el amoníaco es una base porque este par libre puede aceptar un protón 质子 ($\text{H}^+$):

    $$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$
    Amoniaco con un par solitario en su nitrógeno acepta un ion hidrógeno para formar el ion amonio tetraédrico
    El amoníaco actúa como base porque el par libre en su nitrógeno acepta un protón, formando el ion amonio

    El ion amonio

    Cuando el par libre forma un enlace con $\text{H}^+$, se forma el ion amonio 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Como ambos electrones compartidos provenían del nitrógeno, este nuevo enlace es un enlace coordinado 配位键. El ion tiene cuatro enlaces N–H idénticos y una forma tetraédrica.

    Desplazamiento del amoníaco de sus sales

    Si calienta una sal de amonio con una base (como hidróxido de sodio), se libera gas amoníaco. Esto es una desplazamiento ácido-base 置换:

    $$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

    El olor penetrante del amoníaco y el papel tornasol rojo húmedo que se torna azul son pruebas de una sal de amonio.

    12.1

    Óxidos de nitrógeno y contaminación del aire

    De dónde provienen

    Los óxidos de nitrógeno ($\text{NO}$ y $\text{NO}_2$, llamados juntos $\text{NO}_x$) provienen de dos fuentes:

    • natural: los rayos proporcionan suficiente energía para que el nitrógeno y el oxígeno del aire se combinen.
    • artificial: la alta temperatura dentro de un motor de combustión interna 内燃 hace que el nitrógeno y el oxígeno reaccionen:
    $$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

    Eliminación de ellos en los gases de escape

    Un catalizador 催化转化器 limpia los gases de escape 尾气. Permite que los gases nocivos reaccionen entre sí para formar otros inocuos:

    $$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$
    Gases nocivos NO y CO pasando a través de un bloque catalizador y saliendo como nitrógeno inofensivo y dióxido de carbono
    En un catalizador, los gases nocivos NO y CO reaccionan sobre el catalizador para formar N$_2$ and CO$_2$ inocuo

    Smog fotoquímico

    A la luz del sol, $\text{NO}$ y $\text{NO}_2$ reaccionan con hidrocarburos no quemados para formar peroxiacetilnitrato (PAN). El PAN es una parte dañina del smog fotoquímico 光化学烟雾, la bruma marrón que se observa sobre las ciudades transitadas.

    Una vista aérea de una gran ciudad con una capa distinta de bruma marrón-grisácea sentada sobre los edificios bajo un cielo azul despejado arriba
    Smog fotoquímico sobre una gran ciudad. La capa marrón está atrapada cerca del suelo, exactamente donde están los gases de escape; la luz solar convierte esos óxidos de nitrógeno e hidrocarburos no quemados en la bruma que se ve

    Lluvia ácida

    Los óxidos de nitrógeno también contribuyen a la formación de lluvia ácida 酸雨 de dos formas:

    • directamente: $\text{NO}_2$ se disuelve en la lluvia para formar ácido nítrico.
    • como catalizador: $\text{NO}_2$ acelera la oxidación del dióxido de azufre atmosférico 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) hacia $\text{SO}_3$, que luego forma ácido sulfúrico en la lluvia.
    Un diagrama de flujo: el NO2 forma ácido nítrico y el SO2 forma ácido sulfúrico, con el NO2 también catalizando la ruta del azufre, ambos llevando a lluvia ácida
    Los óxidos de nitrógeno y azufre producen lluvia ácida: NO$_2$ forms nitric acid directly and also catalyses the oxidation of SO$_2$ a ácido sulfúrico

    Ejemplo resuelto. Un sólido blanco se calienta con $\text{NaOH}$ acuoso, y se desprende un gas que vuelve azul el papel tornasol rojo húmedo. Identifique el gas y el ion en el sólido, y explique la reacción. El único gas común que vuelve azul el papel tornasol rojo húmedo es el amoníaco, $\text{NH}_3$, por lo tanto el sólido contiene el ion amonio, $\text{NH}_4^{+}$. El ion hidróxido es una base más fuerte, por lo que recupera el protón del ion amonio:

    $$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

    Esta es la prueba estándar para $\text{NH}_4^{+}$. Indique siempre que el papel tornasol está húmedo: el amoníaco debe disolverse en el agua antes de poder mostrar su carácter básico, por lo que el papel tornasol seco no provocaría ningún cambio de color.

    Explorar

    Ruta de la contaminación por NOx

    Trazar los óxidos de nitrógeno desde motores calientes hasta el daño ambiental.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    triple bond/ˈtrɪpl bɒnd/ 三键 sān jiàn
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 极性 jí xìng
    basicity/beɪˈsɪsɪti/ 碱性 jiǎn xìng
    lone pair/ləʊn peə/ 孤对电子 gū duì diàn zi
    proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
    ammonium ion/æˈməʊnɪəm ˈaɪɒn/ 铵离子 ǎn lí zi
    coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ 配位键 pèi wèi jiàn
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 置换 zhì huàn
    internal combustion engine/ɪnˈtɜːnl kəmˈbʌstʃn ˈendʒɪn/ 内燃机 nèi rán jī
    catalytic converter/ˌkætəˈlɪtɪk kənˈvɜːtə/ 催化转化器 cuī huà zhuǎn huà qì
    exhaust gases/eɡˈzɔːst ˈɡæsɪz/ 尾气 wěi qì
    photochemical smog/ˌfəʊtəʊˈkemɪkl smɒɡ/ 光化学烟雾 guāng huà xué yān wù
    acid rain/ˈæsɪd reɪn/ 酸雨 suān yǔ
    sulfur dioxide/ˈsʌlfɜː daɪˈɒksaɪd/ 二氧化硫 èr yǎng huà liú
    12.1

    Consejos para el examen

    • $\text{N}_2$ es poco reactivo debido a su enlace triple fuerte (muy alta energía de enlace): enuncie esto exactamente así.
    • El amoníaco es una base y un ligando debido a su par libre; el ion amonio se forma mediante un enlace dativo.
    • Explique cómo se forman los óxidos de nitrógeno (alta temperatura en motores) y su relación con la lluvia ácida y el smog fotoquímico.
    • Proporcione ecuaciones balanceadas y observaciones correctas para las reacciones del amoníaco y del ion amonio.
  • 13

    Introducción a la química orgánica AS Level

    Ver lección
    13.1

    Fórmulas, grupos funcionales y nomenclatura

    Syllabus
    1. definir el término hidrocarburo como un compuesto formado únicamente por átomos de C e H
    2. comprender que los alcanos son hidrocarburos simples sin grupo funcional
    3. comprender que los compuestos en la tabla de las páginas 29 y 30 contienen un grupo funcional que dicta sus propiedades físicas y químicas
    4. interpretar y utilizar las fórmulas general, estructural, desarrollada y esqueletal de las clases de compuestos indicadas en la tabla de las páginas 29 y 30
    5. comprender y aplicar la nomenclatura sistemática de moléculas orgánicas alifáticas simples con grupos funcionales detallados en la tabla de las páginas 29 y 30, hasta seis átomos de carbono (seis más seis para ésteres; solo cadenas lineales para ésteres y nitrilos)
    6. deducir la fórmula molecular y/o empírica de un compuesto, dada su fórmula estructural, desarrollada o esqueletal

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Una muestra de petróleo crudo oscuro
    El petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos — la materia prima para la química orgánica.

    Un hidrocarburo 碳氢化合物 es un compuesto de solo carbono e hidrógeno. Los alcanos 烷烃 son los hidrocarburos más simples y no tienen grupo funcional.

    Un grupo funcional 官能团 es la parte reactiva de una molécula. Decide las propiedades físicas y químicas del compuesto, por lo que las moléculas con el mismo grupo funcional se comportan de manera similar (por ejemplo el grupo $\text{–OH}$ en alcoholes).

    Tipos de fórmula

    Fórmula Lo que muestra
    fórmula general 通式 el patrón para toda una familia, ej. los alcanos son $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$
    fórmula molecular 分子式 el número real de cada átomo, ej. $\text{C}_4\text{H}_{10}$
    fórmula estructural 结构式 los grupos en orden, ej. $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3$
    fórmula desplegada 展开式 cada átomo y cada enlace dibujados completamente
    fórmula esquemática 骨架式 líneas para enlaces; carbonos en esquinas, hidrógenos en carbono no mostrados
    Butano dibujado cuatro formas: la fórmula molecular, la fórmula estructural, la fórmula desplegada con cada átomo y enlace, y la zigzag esquemático
    La misma molécula (butano) mostrada cuatro formas — molecular, estructural, desplegada y esquemática — cada una ocultando más detalle que la anterior

    Puedes leer la fórmula empírica 实验式 (relación más simple) de cualquiera de estas.

    Nomenclatura

    Usa nomenclatura 命名法 sistemática: una raíz para el número de carbonos (met-, et-, prop-, but-, pent-, hex- para 1 a 6), un sufijo para el grupo funcional, y números para mostrar dónde están los grupos.

    Explorar

    Laboratorio de grupos funcionales

    Clasificar moléculas orgánicas según el grupo que controla sus reacciones.

    13.2

    Reacciones orgánicas características

    Syllabus
    1. interpretar y utilizar la siguiente terminología asociada con tipos de compuestos orgánicos y reacciones: (a) serie homóloga (b) saturado e insaturado (c) fisión homolítica y heterolítica (d) radical libre, iniciación, propagación, terminación (e) nucleófilo, electrófilo, nucleofílico, electrofílico (f) adición, sustitución, eliminación, hidrólisis, condensación (g) oxidación y reducción (en ecuaciones de reacciones redox orgánicas, el símbolo [O] puede usarse para representar un átomo de oxígeno procedente de un agente oxidante y el símbolo [H] para representar un átomo de hidrógeno procedente de un agente reductor)
    2. comprender y utilizar la siguiente terminología asociada con tipos de mecanismos orgánicos: (a) sustitución por radical libre (b) adición electrofílica (c) sustitución nucleofílica (d) adición nucleofílica (en los mecanismos de reacción orgánica se espera el uso de flechas curvas para representar el movimiento de pares de electrones; la flecha debe comenzar en un enlace o en un par de electrones libres)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Algunos términos clave

    • una serie homóloga 同系列 es una familia de compuestos con el mismo grupo funcional y fórmula general, donde cada miembro difiere por $\text{CH}_2$.
    • un compuesto saturado 饱和 tiene solo enlaces simples C–C; un compuesto insaturado 不饱和 tiene un doble enlace C=C (o un triple enlace).

    Ruptura de enlaces

    Un enlace covalente puede romperse de dos maneras:

    • fisión homolítica 均裂: el enlace se rompe por igual, un electrón para cada átomo. Esto produce dos radicales libres 自由基 (especies con un electrón desapareado).
    • fisión heterolítica 异裂: el enlace se rompe de forma desigual, ambos electrones van a un solo átomo. Esto produce dos iones.
    Fisión homolítica que rompe un enlace Cl–Cl en dos radicales de cloro; fisión heterolítica que envía ambos electrones de enlace al bromo para dar dos iones
    La fisión homolítica da un electrón a cada átomo (dos radicales); la fisión heterolítica da ambos electrones a un átomo (dos iones)

    Especies atacantes

    • una nucleófila 亲核试剂 es una especie con un par de electrones solitario que es atraída por un centro positivo (pobre en electrones).
    • un electrófilo 亲电试剂 es una especie atraída por un centro negativo (rico en electrones), como un doble enlace C=C.
    Una nucleófila usando su par solitario para atacar un carbono ligeramente positivo; un electrófilo siendo atraído por un doble enlace C=C
    Una nucleófila usa su par solitario para atacar un centro pobre en electrones; un electrófilo es atraído por uno rico en electrones, como un enlace C=C

    Tipos de reacción

    Reacción Qué sucede
    adición 加成 dos moléculas se unen para formar una
    sustitución 取代 un átomo o grupo se intercambia por otro
    eliminación 消去 se elimina una molécula pequeña, formando un doble enlace
    hidrólisis 水解 una molécula se descompone mediante el agua
    condensación 缩合 dos moléculas se unen y se pierde una molécula pequeña (como agua)

    Para la redox orgánica, el símbolo $[\text{O}]$ representa un átomo de oxígeno de un agente oxidante, y $[\text{H}]$ representa un átomo de hidrógeno de un agente reductor.

    Tipos de mecanismo

    Una reacción de radicales libres ocurre en tres pasos: iniciación 引发 (se forman radicales), propagación 增长 (los radicales reaccionan y producen nuevos radicales) y terminación 终止 (dos radicales se unen y detienen la cadena).

    Los mecanismos principales que encuentras son sustitución por radicales libres 自由基取代 (alcanos), adición electrofílica 亲电加成 (alquenos), sustitución nucleofílica 亲核取代 (haloalcanos) y adición nucleofílica 亲核加成 (carbonilos). En los mecanismos, una flecha curva 弯箭头 muestra el movimiento de un par de electrones; comienza en un enlace o en un par solitario 孤对电子.

    Explorar

    Fisión de enlaces y ruta de ataque

    Observa cómo un enlace polar conduce a electrofílicos, nucleófilos y radicales.

    Explorar

    Laboratorio de tipos de reacción orgánica

    Clasificar ejemplos de reacciones según el patrón de enlaces que cambian.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    hydrocarbon/ˈhaɪdrəkɑːbən/ 碳氢化合物 tàn qīng huà hé wù
    alkane/ˈælkeɪn/ 烷烃 wán tīng
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 官能团 guān néng tuán
    general formula/ˈdʒenərəl ˈfɔːmjʊlə/ 通式 tōng shì
    molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 分子式 fēn zǐ shì
    structural formula/ˈstrʌktʃərəl ˈfɔːmjʊlə/ 结构式 jié gòu shì
    displayed formula/dɪˈspleɪd ˈfɔːmjʊlə/ 展开式 zhǎn kāi shì
    skeletal formula/ˈskelɪtl ˈfɔːmjʊlə/ 骨架式 gǔ jià shì
    empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 实验式 shí yàn shì
    nomenclature/nəˈmeŋklətʃə/ 命名法 mìng míng fǎ
    homologous series/həˈmɒləɡəs ˈsɪəriːz/ 同系列 tóng xì liè
    saturated/ˈsætʃəreɪtɪd/ 饱和 bǎo hé
    unsaturated/ʌnˈsætʃəreɪtɪd/ 不饱和 bù bǎo hé
    homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 均裂 jūn liè
    free radical/friː ˈrædɪkl/ 自由基 zì yóu jī
    heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 异裂 yì liè
    nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 亲核试剂 qīn hé shì jì
    electrophile/ɪˌlektrəʊˈfaɪl/ 亲电试剂 qīn diàn shì jì
    addition/əˈdɪʃn/ 加成 jiā chéng
    substitution/ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 取代 qǔ dài
    elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 消去 xiāo qù
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 缩合 suō hé
    initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ 引发 yǐn fā
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 增长 zēng zhǎng
    termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ 终止 zhōng zhǐ
    free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 自由基取代 zì yóu jī qǔ dài
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲电加成 qīn diàn jiā chéng
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲核取代 qīn hé qǔ dài
    nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲核加成 qīn hé jiā chéng
    curly arrow/ˈkɜːli ˈærəʊ/ 弯箭头 wān jiàn tóu
    lone pair/ləʊn peə/ 孤对电子 gū duì diàn zi
    cyclic/ˈsaɪklɪk/ 环状 huán zhuàng
    13.3

    Formas de las moléculas orgánicas

    Syllabus
    1. describir las moléculas orgánicas como cadenas lineales, ramificadas o cíclicas
    2. describir y explicar la forma y los ángulos de enlace en las moléculas que contienen átomos hibridizados $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ y $\text{sp}^3$
    3. describir la disposición de los enlaces $\sigma$ y $\pi$ en las moléculas que contienen átomos hibridizados $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ y $\text{sp}^3$
    4. comprender y utilizar el término plano al describir la disposición de los átomos en las moléculas orgánicas, por ejemplo, el eteno

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    A ball-and-stick molecular model
    Las moléculas orgánicas tienen formas tridimensionales definidas.

    Las moléculas orgánicas pueden ser de cadena lineal, ramificadas o cíclicas 环状 (en anillo).

    La forma alrededor de un carbono depende de su hibridación 杂化:

    Hibridación Enlaces Forma Ángulo
    $\text{sp}^3$ 4 simples tetraédrica $109.5°$
    $\text{sp}^2$ 1 doble + 2 simples planar 平面 (plana) $120°$
    $\text{sp}$ 1 triple (o 2 dobles) lineal $180°$

    Cada enlace simple es un enlace sigma σ键, formado por superposición directa. Un enlace doble es un enlace sigma más un enlace pi π键, formado por superposición lateral de orbitales p. El eteno es planar debido a sus carbonos $\text{sp}^2$.

    Tres carbonos: un carbono sp3 en metano tetraédrico, un carbono sp2 en eteno planar y un carbono sp en etino lineal, cada uno con su ángulo de enlace
    La forma en un carbono deriva de su hibridación: sp$^3$ es tetraédrica ($109.5°$), sp$^2$ es planar ($120°$), sp es lineal ($180°$)
    Explorar

    Formas de moléculas orgánicas

    VSEPR alrededor de cada carbono

    Alrededor de un carbono con enlace simple, los cuatro pares son tetraédricos (109.5°).

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 杂化 zá huà
    planar/ˈpleɪnə/ 平面 píng miàn
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ键 σ jiàn
    pi bond/paɪ bɒnd/ π键 π jiàn
    13.4

    Isomería

    Syllabus
    1. describir el isomerismo estructural y su división en isomerismo de cadena, posicional y de grupo funcional
    2. describir el isomerismo estereoisomérico y su división en isomerismo geométrico (cis/trans) e isomerismo óptico (el uso de la nomenclatura E/Z es aceptable pero no obligatorio)
    3. describir el isomerismo geométrico (cis/trans) en alquenos, y explicar su origen en términos de rotación restringida debido a la presencia de enlaces $\pi$
    4. explicar qué se entiende por un centro quiral y que dicho centro da lugar a dos isómeros ópticos (enantiómeros) (Los candidatos deben comprender que los compuestos pueden contener más de un centro quiral, pero no se requiere conocimiento sobre compuestos meso o nomenclatura como diastereoisómeros)
    5. identificar centros quirales e isomerismo geométrico (cis/trans) en una molécula dada con fórmula estructural, incluyendo compuestos cíclicos
    6. deducir los posibles isómeros para una molécula orgánica de fórmula molecular conocida

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los isómeros son compuestos con la misma fórmula molecular pero una diferente disposición de átomos. Esto se llama isomería 异构.

    Isomería estructural

    En la isomería estructural 结构异构 los átomos están unidos en un orden diferente. Hay tres tipos:

    • isomería de cadena 链异构: la cadena de carbonos está ramificada de diferentes maneras.
    • isomería de posición 位置异构: el grupo funcional está en un carbono diferente.
    • isomería de grupo funcional 官能团异构: los átomos forman un grupo funcional diferente (por ejemplo, un alcohol y un éter).
    Tres pares de estructuras esqueletales: butano vs 2-metilpropano, propan-1-ol vs propan-2-ol, y etanol vs metoximetano
    Los tres tipos de isomería estructural — cadena, posición y grupo funcional — cada par comparte la misma fórmula molecular

    Estereoisomería

    En la estereoisomería 立体异构 los átomos están unidos en el mismo orden pero apuntan en diferentes direcciones en el espacio.

    • La isomería geométrica 几何异构 (cis/trans) ocurre en un doble enlace C=C. El enlace pi impide la rotación de los dos carbonos (rotación restringida 受限旋转), por lo que los grupos quedan fijos en el mismo lado (cis 顺式) o en lados opuestos (trans 反式).
    But-2-eno dibujado dos veces: cis con ambos grupos metilo en el mismo lado del doble enlace, trans con ellos en lados opuestos
    Isomería cis-trans en un enlace C=C: los grupos metilo están fijos en el mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans) porque el enlace no puede rotar
    • La isomería óptica 旋光异构 ocurre en un carbono quiral 手性 — un centro quiral 手性中心 es un carbono con cuatro grupos diferentes unidos. Este tipo de carbono da dos formas imagen especular llamadas enantiómeros 对映体. Una molécula puede tener más de un centro quiral.
    Un carbono unido a cuatro átomos diferentes (F, H, Cl, Br) dibujado junto a su imagen especular, las dos no superponibles
    Isomería óptica: un carbono con cuatro grupos diferentes da dos formas imagen especular (enantiómeros) que no se pueden superponer

    A partir de una fórmula molecular puedes deducir los isómeros posibles probando diferentes cadenas, posiciones y grupos funcionales.

    Ejemplo resuelto. Explica por qué el but-2-eno muestra isomería cis-trans (E/Z) pero el but-1-eno no. La estereoisomería en un C=C necesita dos cosas: rotación restringida alrededor del doble enlace (ambos alquenos la tienen), y dos grupos diferentes en cada uno de los dos carbonos del doble enlace. En el but-2-eno, $\text{CH}_3\text{CH=CHCH}_3$, cada carbono del doble enlace lleva un $\text{H}$ y un $\text{CH}_3$ - diferentes, por lo que los grupos metilo pueden situarse en el mismo lado (cis / Z) o en lados opuestos (trans / E). En el but-1-eno, $\text{CH}_2\text{=CHCH}_2\text{CH}_3$, el primer carbono lleva dos hidrógenos - idénticos, por lo que intercambiarlos no cambia nada y solo existe una forma. Prueba cada carbono del doble enlace por separado: dos grupos idénticos en cualquier carbono elimina la isomería, sin importar cuán diferente sea el otro carbono.

    Explorar

    Laboratorio de isomerismo estructural

    Comparar moléculas con la misma fórmula pero diferentes estructuras.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    isomerism/ˈaɪsəmərɪzəm/ 异构 yì gòu
    structural isomerism/ˈstrʌktʃərəl ˈaɪsəmərɪzəm/ 结构异构 jié gòu yì gòu
    chain isomerism/tʃeɪn ˈaɪsəmərɪzəm/ 链异构 liàn yì gòu
    positional isomerism/pəˈzɪʃənl ˈaɪsəmərɪzəm/ 位置异构 wèi zhì yì gòu
    functional group isomerism/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp ˈaɪsəmərɪzəm/ 官能团异构 guān néng tuán yì gòu
    stereoisomerism/ˈsterɪəʊɪsəmərɪzəm/ 立体异构 lì tǐ yì gòu
    geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 几何异构 jǐ hé yì gòu
    restricted rotation/rɪˈstrɪktɪd rəʊˈteɪʃn/ 受限旋转 shòu xiàn xuán zhuǎn
    cis/sɪs/ 顺式 shùn shì
    trans/trænz/ 反式 fǎn shì
    optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 旋光异构 xuán guāng yì gòu
    chiral/ˈkaɪrəl/ 手性 shǒu xìng
    chiral centre/ˈkaɪrəl ˈsentə/ 手性中心 shǒu xìng zhōng xīn
    enantiomers/eˈnæntɪəməz/ 对映体 duì yìng tǐ
    Ver lección
    13.4

    Consejos para el examen

    • Conoce la diferencia entre fórmulas generales, moleculares, estructurales, mostradas y esqueletales — las preguntas piden una específica.
    • Nombra sistemáticamente: cadena más larga, localizadores más bajos, sustituyentes en orden alfabético; un localizador incorrecto cuesta puntos.
    • Clasifica cada reacción por tipo y reactivo (adición, sustitución, eliminación, oxidación).
    • La isomería E/Z necesita rotación restringida alrededor de un $\text{C}=\text{C}$ y dos grupos diferentes en cada carbono.
  • 14

    Hidrocarburos

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    14.1

    Alcanos

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden producir alcanos: (a) adición de hidrógeno a un alqueno en una reacción de hidrogenación, $\text{H}_2\text{(g)}$ y catalizador de $\text{Pt/Ni}$ y calor (b) craqueo de un alcano de cadena más larga, calor con $\text{Al}_2\text{O}_3$
    2. Describir: (a) la combustión completa e incompleta de alcanos (b) la sustitución por radicales libres de alcanos por $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ en presencia de luz ultravioleta, tal como lo ejemplifican las reacciones del etano
    3. Describir el mecanismo de sustitución por radicales libres con referencia a los pasos de iniciación, propagación y terminación
    4. Sugerir cómo el craqueo puede utilizarse para obtener alcanos y alquenos más útiles de menor $M_r$ a partir de fracciones más pesadas del petróleo bruto
    5. Comprender la baja reactividad general de los alcanos, incluido hacia reactivos polares, en términos de la fuerza de los enlaces $\text{C–H}$ y su relativa falta de polaridad
    6. Reconocer las consecuencias medioambientales del monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos no quemados derivados de la combustión de alcanos en motores de combustión interna, así como su eliminación catalítica

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Blue flames on a gas stove
    El gas natural — principalmente metano, el alcano más simple — se quema en una estufa.

    Alcanos 烷烃 son hidrocarburos saturados (fórmula general $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).

    Síntesis de alcanos

    • hidrogenación 氢化: añadir hidrógeno a un alqueno 烯烃, utilizando un catalizador $\text{Pt}$ o $\text{Ni}$ y calor.
    • cracking 裂化: romper un alcano de cadena larga en otros más cortos mediante calentamiento con $\text{Al}_2\text{O}_3$.

    Combustión

    En la combustión 燃烧, un alcano arde en oxígeno:

    La combustión completa produce CO2 y agua; la combustión incompleta también produce CO y hollín
    La combustión completa da CO2 y agua; la incompleta también da CO y hollín
    • combustión completa 完全燃烧 (mucho oxígeno) produce dióxido de carbono y agua.
    • combustión incompleta 不完全燃烧 (poco oxígeno) produce agua más monóxido de carbono tóxico $\text{CO}$ y hollín (carbono).

    Suele pedirse que escribas la ecuación balanceada. Balánzala en un orden fijo: primero el carbono, luego el hidrógeno y por último el oxígeno, ya que el oxígeno es el único elemento que aparece solo en un lado:

    $$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

    Los 6 carbonos determinan $6\,\text{CO}_2$; los 14 hidrógenos determinan $7\,\text{H}_2\text{O}$; contar los oxígenos a la derecha da $12 + 7 = 19$, por lo que a la izquierda se necesitan $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. Un medio de $\text{O}_2$ es perfectamente aceptable en esta ecuación —y si la pregunta pide números enteros, simplemente multiplica todo por dos ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

    Sustitución por radicales libres

    Los alcanos reaccionan con cloro o bromo mediante sustitución por radicales libres 自由基取代, en presencia de luz ultravioleta 紫外线. Para el etano y el cloro, el mecanismo tiene tres pasos:

    • iniciación 引发 — La luz UV rompe el halógeno en dos radicales libres 自由基: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ Este tipo de ruptura es fisión homolítica 均裂: el enlace se rompe por igual, un electrón para cada átomo, lo cual genera dos radicales. (Lo opuesto, fisión heterolítica 异裂, envía ambos electrones a un solo átomo y forma un par de iones; esto ocurre en mecanismos polares como la adición electrofílica). Los examinadores piden esta palabra por su nombre, así que úsala.
    • Propagación 增长 — Los radicales reaccionan y generan nuevos radicales:
      $$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
    • terminación 终止 — Dos radicales se unen, terminando la cadena: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$
    Los tres pasos de la sustitución de radicales libres: iniciación dividiendo el cloro en radicales, propagación llevando la cadena, y terminación uniendo dos radicales
    Sustitución por radicales libres en tres pasos: la iniciación genera radicales, la propagación mantiene la cadena y la terminación la finaliza

    Utilidad del cracking e inercia química de los alcanos

    El cracking convierte las fracciones pesadas del petróleo bruto 原油 en alcanos y alquenos más útiles y de menor $M_r$. (Una fracción 馏分 es un grupo de moléculas con un rango de punto de ebullición similar.)

    Los alcanos son generalmente poco reactivos, especialmente frente a reactivos polares. Esto se debe a que los enlaces C–H y C–C son fuertes y tienen poca polaridad 极性, por lo que no hay carga que atraiga a una especie atacante.

    Efectos ambientales

    La combustión de alcanos en un motor de combustión interna emite monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos sin quemar. Un convertidor catalítico elimina estos compuestos transformándolos en gases inocuos.

    Explorar

    El carbono tetraédrico

    Cada carbono en un alcano tiene cuatro pares de enlace y ningún par solitario — se separan lo máximo posible en un tetraedro (109.5°).

    Explorar

    Sustitución de radicales libres

    El metano reacciona con el cloro bajo luz UV mediante una cadena de pasos de radicales.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    alkane/ˈælkeɪn/ 烷烃 wán tīng
    hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ 氢化 qīng huà
    alkene/ˈælkiːn/ 烯烃 xī tīng
    cracking/ˈkrækɪŋ/ 裂化 liè huà
    combustion/kəmˈbʌstʃn/ 燃烧 rán shāo
    complete combustion/kəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ 完全燃烧 wán quán rán shāo
    incomplete combustion/ɪŋkəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ 不完全燃烧 bù wán quán rán shāo
    carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ 一氧化碳 yī yǎng huà tàn
    free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 自由基取代 zì yóu jī qǔ dài
    ultraviolet light/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt laɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn
    initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ 引发 yǐn fā
    free radical/friː ˈrædɪkl/ 自由基 zì yóu jī
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 增长 zēng zhǎng
    termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ 终止 zhōng zhǐ
    crude oil/kruːd ɔɪl/ 原油 yuán yóu
    fraction/ˈfrækʃn/ 馏分 liú fèn
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 极性 jí xìng
    elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 消去 xiāo qù
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ 脱水 tuō shuǐ
    14.2

    Alquenos

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (incluyendo los reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden producir alquenos: (a) eliminación de $\text{HX}$ de un haloalcano mediante $\text{NaOH}$ etanólica y calor (b) deshidratación de un alcohol, utilizando un catalizador calentado (p. ej. $\text{Al}_2\text{O}_3$) o un ácido concentrado (p. ej. $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado) (c) craqueo de un alcano de cadena más larga
    2. Describir las siguientes reacciones de los alquenos: (a) la adición electrofílica de (i) hidrógeno en una reacción de hidrogenación, $\text{H}_2\text{(g)}$ y catalizador $\text{Pt/Ni}$ y calor (ii) vapor de agua, $\text{H}_2\text{O(g)}$ y catalizador $\text{H}_3\text{PO}_4$ (iii) un haluro de hidrógeno, $\text{HX(g)}$, a temperatura ambiente (iv) un halógeno, $\text{X}_2$ (b) la oxidación con $\text{KMnO}_4$ diluido y acidificado frío para formar el diol (c) la oxidación con $\text{KMnO}_4$ concentrado y acidificado caliente que conduce a la ruptura del doble enlace carbono–carbono y la identificación de los productos subsiguientes para determinar la posición de los enlaces de alqueno en moléculas más grandes (d) polimerización por adición exemplificada por las reacciones del eteno y propeno
    3. Describir el uso de bromo acuoso para demostrar la presencia de un enlace C=C
    4. Describir el mecanismo de adición electrofílica en alquenos, usando bromeno/eteno y bromuro de hidrógeno/propano como ejemplos
    5. Describir y explicar los efectos inductivos de los grupos alquilo sobre la estabilidad de cationes primarios, secundarios y terciarios formados durante la adición electrofílica (esto debe utilizarse para explicar la adición de Markovnikov)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    An oil refinery
    El cracking de fracciones pesadas en una refinería produce alquenos para plásticos y combustibles.

    Alquenos tienen un doble enlace C=C (fórmula general $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). El doble enlace es el grupo funcional, por lo que los alquenos son reactivos.

    Síntesis de alquenos

    • eliminación 消去 de $\text{HX}$ a partir de un haloalcano 卤代烷, utilizando $\text{NaOH}$ disuelto en etanol, con calor.
    • deshidratación 脱水 de un alcohol 醇, utilizando un catalizador caliente de $\text{Al}_2\text{O}_3$ o ácido sulfúrico concentrado.
    • craqueo de un alcano de cadena más larga.

    Reacciones de los alquenos

    La mayoría de las reacciones son adición electrofílica 亲电加成 a través del doble enlace:

    Reactivo y condiciones Producto
    $\text{H}_2$, catalizador de $\text{Pt/Ni}$, calor alcano
    vapor de agua 水蒸气 ($\text{H}_2\text{O}$), catalizador de $\text{H}_3\text{PO}_4$ alcohol
    un haluro de hidrógeno 卤化氢 ($\text{HX}$), temperatura ambiente halogenoalcano
    un halógeno $\text{X}_2$ un alcano disustituido

    También hay dos reacciones de oxidación con $\text{KMnO}_4$ acidificado:

    • frío, diluido $\text{KMnO}_4$ añade dos grupos $\text{–OH}$ para dar un diol 二醇.
    • caliente, concentrado $\text{KMnO}_4$ rompe el enlace C=C por completo, y lo que se forma en cada mitad indica exactamente dónde estaba situado el doble enlace.

    Esa segunda reacción merece la pena estudiarla bien, porque así es como el examen te pide localizar un doble enlace en una molécula grande. La oxidación se escribe con $[\text{O}]$, que significa "un átomo de oxígeno procedente del agente oxidante". Corta la molécula en el C=C, y luego observa qué llevaba cada uno de los dos carbonos:

    El carbono del C=C lleva Se convierte en
    dos grupos alquilo ($\text{=CR}_2$) una cetona 酮, $\text{R}_2\text{C=O}$
    un grupo alquilo y un $\text{H}$ ($\text{=CHR}$) un ácido carboxílico 羧酸, $\text{RCOOH}$
    dos hidrógenos ($\text{=CH}_2$) $\text{CO}_2$ y agua

    El patrón es simplemente cuántos hidrógenos tenía ese carbono: ninguno se detiene en una cetona, uno se oxida hasta un ácido, y dos se oxidan completamente hasta $\text{CO}_2$.

    Ejemplo resuelto. Indica los productos cuando $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ se calienta con ácido acidificado concentrado y caliente $\text{KMnO}_4$. Corta el doble enlace C=C y analiza cada carbono por separado. El carbono de la izquierda lleva dos grupos metilo y ningún hidrógeno, por lo que se detiene en una cetona: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, que es propanona. El carbono de la derecha lleva un grupo metilo y un H, por lo que avanza hasta un ácido carboxílico: $\text{CH}_3\text{COOH}$, ácido etanoico. Por tanto:

    $$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

    Ahora ejecútalo hacia atrás, que es la forma en que generalmente se plantea la pregunta. Dados los productos, reconstruye el alqueno uniendo los dos carbonos carbonílicos para formar un C=C: una cetona significa que ese carbono tenía dos grupos alquilo, un ácido indica un grupo alquilo y un H, y $\text{CO}_2$ significa que la cadena terminaba en $\text{=CH}_2$. Obtener $\text{CO}_2$ es la pista más fuerte de todas: solo puede provenir de un doble enlace terminal.

    Prueba para un enlace C=C

    Agita el compuesto con agua de bromo naranja 溴水. Un alqueno lo decolora (lo vuelve incoloro) mediante adición electrofílica. Un alcano no lo hace.

    Dos tubos de ensayo de agua bromada naranja: el que contiene un alqueno ha cambiado a incoloro, el que contiene un alcano sigue siendo naranja
    La prueba del agua de bromo: un alqueno decolora el agua de bromo naranja, mientras que un alcano la deja naranja

    Polimerización por adición

    En la polimerización por adición 加成聚合, muchas moléculas de alqueno se unen formando una larga cadena, sin producir otros productos. El eteno da lugar al polietileno. El producto de cadena larga se denomina polímero 聚合物.

    n moléculas de eteno con dobles enlaces a la izquierda convirtiéndose en la unidad repetitiva del polieteno entre corchetes a la derecha
    Polimerización por adición: muchas moléculas de eteno abren sus dobles enlaces y se unen formando la larga cadena de polietileno

    El mecanismo y la regla de Markovnikov

    En la adición electrofílica (por ejemplo, bromo con eteno), el C=C rico en electrones atrae al electrófilo. Esto forma un intermediario positivo llamado carbocatión 碳正离子, que luego es atacado por la parte negativa.

    El mecanismo de adición de bromo al eteno: flechas rizadas muestran que el C=C ataca a un bromo, formándose un carbocatión, luego el bromuro lo ataca para dar 1,2-dibromoetano
    Adición electrofílica de bromo al eteno: el C=C ataca al Br$^{\delta+}$, a carbocation forms, then Br$^-$ lo ataca

    Los grupos alquilo empujan electrones hacia el carbono positivo: este es el efecto inductivo 诱导效应. Por lo tanto, un carbocatión con más grupos alquilo es más estable: el terciario es más estable que el secundario, que a su vez es más estable que el primario. Cuando $\text{HBr}$ se añade al propeno, se forma el carbocatión más estable, por lo que el hidrógeno se une al carbono que ya tiene más átomos de hidrógeno. Este patrón se conoce como la regla de Markovnikov 马氏规则.

    Carbocationes primarios, secundarios y terciarios con flechas mostrando que los grupos alquilo empujan electrones hacia el carbono positivo, la estabilidad aumenta de izquierda a derecha
    La estabilidad de los carbocationes aumenta desde primarios hasta terciarios a medida que más grupos alquilo empujan electrones hacia ellos — esta es la base de la regla de Markovnikov

    Ejemplo resuelto. Predice el producto mayoritario cuando $\text{HBr}$ se añade al propeno, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. El $\text{H}^{+}$ se añade primero, y lo hace de manera que forme un carbocatión más estable. Añadir el $\text{H}$ al carbono del extremo sitúa la carga positiva en el carbono central, dando lugar a un carbocatión secundario, el cual está estabilizado por grupos alquilo donantes de electrones en dos lados. Si se añadiera al carbono central, se formaría un carbocatión menos estable primario. A continuación, el ion bromuro ataca al carbocatión secundario, por lo que el producto mayoritario es el 2-bromopropano. Esa es la regla de Markovnikov, pero se debe citar la razón (estabilidad del carbocatión: terciario > secundario > primario), ya que la regla por sí sola no constituye una explicación.

    Explorar

    Ruta de adición alqueno

    Siga cómo se abre el enlace C=C y se añaden nuevos átomos.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲电加成 qīn diàn jiā chéng
    steam/stiːm/ 水蒸气 shuǐ zhēng qì
    hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ 卤化氢 lǔ huà qīng
    diol/dɪˈɒl/ 二醇 èr chún
    bromine water/ˈbrəʊmaɪn ˈwɔːtə/ 溴水 xiù shuǐ
    addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 加成聚合 jiā chéng jù hé
    polymer/ˈpɒlɪmə/ 聚合物 jù hé wù
    carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ 碳正离子 tàn zhèng lí zi
    inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 诱导效应 yòu dǎo xiào yìng
    Markovnikov's rule/ˈmɑːkəvnɪkɒvz ruːl/ 马氏规则 mǎ shì guī zé
    homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 均裂 jūn liè
    heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 异裂 yì liè
    ketone/ˈketəʊn/ 酮 tóng
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    Ver lección
    14.2

    Consejos para el examen

    • Alcanos: la sustitución libre-radical requiere luz UV — muestra las etapas de iniciación, propagación y terminación con los puntos radicales.
    • Alquenos: adición electrofílica a través de un carbocatión; dibuja flechas curvas desde el $\text{C}=\text{C}$.
    • Markovnikov: el H se añade al carbono con más hidrógenos, mediante el carbocatión más estable (los grupos alquilo son donantes de electrones).
    • Prueba para $\text{C}=\text{C}$: el agua de bromo se decolora (de naranja a incoloro) — indica la observación.
  • 15

    Compuestos halogenados

    Ver lección
    15.1

    Halogenoalcanos

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden obtener haluroalcanos: (a) la sustitución de radicales libres de alcanos por $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ en presencia de luz ultravioleta, ejemplificada por las reacciones del etano; (b) la adición electrofílica de un alqueno con un halógeno, $\text{X}_2$, o un haluro de hidrógeno, $\text{HX(g)}$, a temperatura ambiente; (c) la sustitución de un alcohol, p. ej., mediante reacción con $\text{HX(g)}$; o con $\text{KCl}$ y ácido sulfúrico concentrado ($\text{H}_2\text{SO}_4$) o ácido fosfórico concentrado ($\text{H}_3\text{PO}_4$); o con $\text{PCl}_3$ y calor; o con $\text{PCl}_5$; o con $\text{SOCl}_2$.
    2. Clasificar los haluroalcanos en primarios, secundarios y terciarios.
    3. Describir las siguientes reacciones de sustitución nucleofílica: (a) la reacción con $\text{NaOH(aq)}$ y calor para producir un alcohol; (b) la reacción con $\text{KCN}$ en etanol y calor para producir un nitrilo; (c) la reacción con $\text{NH}_3$ en etanol calentado bajo presión para producir una amina; (d) la reacción con nitrato de plata acuoso en etanol como método para identificar el halógeno presente, ejemplificado por el bromoetano.
    4. Describir la reacción de eliminación con $\text{NaOH}$ en etanol y calor para producir un alqueno, ejemplificada por el bromoetano.
    5. Describir los mecanismos $\text{S}_\text{N}1$ y $\text{S}_\text{N}2$ de sustitución nucleofílica en haluroalcanos, incluyendo los efectos inductivos de los grupos alquilo.
    6. Recordar que los haluroalcanos primarios tienden a reaccionar a través del mecanismo $\text{S}_\text{N}2$; los haluroalcanos terciarios, a través del mecanismo $\text{S}_\text{N}1$; y los haluroalcanos secundarios, mediante una mezcla de ambos, dependiendo de la estructura.
    7. Describir y explicar las diferentes reactividades de los haluroalcanos (con referencia particular a las fuerzas relativas de los enlaces C–X, ejemplificadas por las reacciones de haluroalcanos con nitratos de plata acuosos).

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un halogenoalcano 卤代烷 es un alcano con uno o más átomos de halógeno en lugar de hidrógeno (un enlace C–X, donde X es un halógeno).

    Una lata de spray congelante liberando un vapor frío de halogenoalcano
    Los halogenoalcanos volátiles se usaban anteriormente como refrigerantes y propulsores de aerosoles

    Síntesis de halogenoalcanos

    • Sustitución por radicales libres 自由基取代 de un alcano con $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ bajo luz ultravioleta.
    • Adición electrofílica 亲电加成 de un alqueno con un halógeno $\text{X}_2$ o un haluro de hidrógeno $\text{HX}$.
    • Sustitución de un alcohol 醇, por ejemplo mediante $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ con calor, o $\text{SOCl}_2$.

    Tres clases

    Un halogenoalcano es primario 伯, secundario 仲 o terciario 叔, dependiendo de cuántos átomos de carbono están unidos al carbono que porta el halógeno (uno, dos o tres).

    Tres estructuras con el carbono que sostiene el bromo resaltado: primario con un carbono unido, secundario con dos, terciario con tres
    Halogenoalcanos primarios, secundarios y terciarios, definidos por cuántos carbonos están unidos al carbono portador del halógeno
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 自由基取代 zì yóu jī qǔ dài
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲电加成 qīn diàn jiā chéng
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    primary/ˈpraɪməri/ 伯 bó
    secondary/ˈsekəndəri/ 仲 zhòng
    tertiary/ˈtɜːʃjəri/ 叔 shū
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲核取代 qīn hé qǔ dài
    nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 亲核试剂 qīn hé shì jì
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
    amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
    silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ 硝酸银 xiāo suān yín
    precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 沉淀 chén diàn
    15.1

    Sustitución nucleofílica

    El enlace C–X es polar, por lo que el carbono tiene una carga parcial positiva. Una sustitución nucleofílica 亲核取代 ocurre cuando un nucleófilo 亲核试剂 (una especie con par solitario) ataca a ese carbono y reemplaza al halógeno.

    Un matraz de fondo redondo con líquido hirviendo con un condensador vertical devolviendo el vapor
    Muchas reacciones de halogenoalcanos se realizan calentando la mezcla bajo reflujo
    Reactivo y condiciones Producto
    $\text{NaOH(aq)}$, calor un alcohol
    $\text{KCN}$ en etanol, calor un nitrilo 腈 (añade un carbono a la cadena)
    $\text{NH}_3$ en etanol, calentado a presión una amina 胺
    Un evaporador rotatorio: un matraz redondo con solución girando en un baño de agua caliente, con el vapor del solvente condensándose en un matraz receptor separado
    Un evaporador rotatorio elimina el disolvente bajo presión reducida —el paso posterior a la reacción—

    Para identificar el halógeno, caliente el halogenoalcano con nitrato de plata 硝酸银 en etanol. Se forma un precipitado 沉淀 de haluro de plata, y su color indica qué halógeno está presente (blanco $\text{AgCl}$, crema $\text{AgBr}$, amarillo $\text{AgI}$).

    Explorar

    Sustitución nucleofílica

    Un nucleófilo reemplaza al grupo saliente en un haloalcano.

    15.1

    Eliminación

    El mismo halogenoalcano puede someterse en cambio a eliminación 消去 para formar un alqueno 烯烃. Las condiciones determinan cuál reacción prevalece:

    • $\text{NaOH}$ en agua → sustitución nucleofílica → un alcohol.
    • $\text{NaOH}$ en etanol, con calor → eliminación → un alqueno.
    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
    Un diagrama ramificado: bromoetano con hidróxido de sodio acuoso da un alcohol por sustitución, pero con hidróxido de sodio en etanol da un alqueno por eliminación
    Mismo halogenoalcano: NaOH en agua sustituye para dar un alcohol, mientras que NaOH en etanol (con calor) elimina para dar un alqueno
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 消去 xiāo qù
    alkene/ˈælkiːn/ 烯烃 xī tīng
    15.1

    Mecanismos S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2

    La sustitución nucleofílica puede seguir dos rutas:

    • S$_\text{N}$2: un solo paso. El nucleófilo ataca al mismo tiempo que el halógeno sale, pasando por un estado de transición 过渡态 congestionado donde ambos están parcialmente enlazados. La velocidad depende tanto del halogenoalcano como del nucleófilo.
    • S$_\text{N}$1: dos pasos. Primero se rompe el enlace C–X para formar un carbocatión 碳正离子; luego el nucleófilo lo ataca. La velocidad depende únicamente del halogenoalcano.
    S N 2 mostrado como un paso donde la nucleófila ataca mientras el halógeno sale a través de un estado de transición; S N 1 mostrado como dos pasos a través de un catión alquilo
    S$_\text{N}$2 is a single step through a crowded transition state; S$_\text{N}$1 son dos pasos vía un carbocatión

    Los grupos alquilo empujan electrones hacia el carbono positivo (el efecto inductivo 诱导效应), estabilizando así el carbocatión. Por esto:

    • Los halogenoalcanos primarios reaccionan mayoritariamente por S$_\text{N}$2.
    • Los halogenoalcanos terciarios reaccionan mayoritariamente por S$_\text{N}$1 (su carbocatión está bien estabilizado).
    • Los halogenoalcanos secundarios utilizan una mezcla de ambos mecanismos.
    Explorar

    El mecanismo SN2, paso a paso

    Recorra la sustitución nucleofílica. El nucleófilo ataca por detrás mientras el halógeno se desprende — todo en un solo paso suave, invirtiendo la molécula.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ 过渡态 guò dù tài
    carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ 碳正离子 tàn zhèng lí zi
    inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 诱导效应 yòu dǎo xiào yìng
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
    15.1

    Diferentes reactividades

    La velocidad de reacción de un halogenoalcano depende de la fuerza del enlace C–X, medida por su energía de enlace 键能. El enlace C–I es el más débil, por lo que los iodoalcanos reaccionan más rápido; el enlace C–Cl es el más fuerte de los tres, por lo que los cloroalcanos reaccionan más lentamente. Así, al probarlos con nitrato de plata, un iodoalcano forma su precipitado primero —su mayor reactividad 反应活性 proviene del enlace C–X más débil.

    Un gráfico de barras de la energía del enlace C-X disminuyendo desde C-F hasta C-I, con una flecha indicando que un enlace más débil reacciona más rápido
    Cuanto más débil es el enlace C–X, más rápido reacciona el halogenoalcano —por eso los iodoalcanos reaccionan más rápido y los cloroalcanos más lento

    Ejemplo resuelto. Prediga el mecanismo para la hidrólisis de 1-bromobutano y de 2-bromo-2-metilpropano. Clasifique primero el halogenoalcano. El 1-bromobutano es primario: el carbono que porta el $\text{Br}$ está poco impedido, por lo que el nucleófilo puede atacar por la parte trasera y el mecanismo es $\text{S}_\text{N}2$ —un solo paso, con la velocidad dependiendo de ambos el halogenoalcano y el nucleófilo—. El 2-bromo-2-metilpropano es terciario: tres voluminosos grupos metilo bloquean ese ataque, pero también estabilizan el carbocatión formado una vez que el $\text{Br}$ sale, por lo que sigue $\text{S}_\text{N}1$ —dos pasos, con la velocidad dependiendo solo del halogenoalcano—. Decida según la clase (primario → $\text{S}_\text{N}2$, terciario → $\text{S}_\text{N}1$), y observe que el terciario se hidroliza más rápido a pesar de estar más impedido estéricamente.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ 反应活性 fǎn yìng huó xìng
    15.1

    Consejos para el examen

    • Dibuje la sustitución nucleofílica con una flecha curva desde el par solitario del nucleófilo al carbono $\delta+$ y otra desde el enlace $\text{C-X}$.
    • Asocie el mecanismo a la clase: $S_\text{N}1$ (terciario, carbocatión, dos pasos) vs $S_\text{N}2$ (primario, un paso, estado de transición).
    • La reactividad viene determinada por la entalpía de enlace: $\text{C-I}$ es el más débil, por lo que los iodoalcanos reaccionan más rápido (no por electronegatividad).
    • Eliminación (KOH etanólica caliente) vs sustitución (KOH acuosa tibia): las condiciones determinan el producto; indíquelas explícitamente.
  • 16

    Compuestos hidroxilados

    Ver lección
    16.1

    Alcoholes

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden producir alcoholes: (a) adición electrofílica de vapor de agua a un alqueno, $\text{H}_2\text{O(g)}$ y catalizador de $\text{H}_3\text{PO}_4$; (b) reacción de alquenos con manganeso(VII) potásico acidulado frío y diluido para formar un diol; (c) sustitución de una halogenoalcano usando $\text{NaOH(aq)}$ y calor; (d) reducción de un aldehído o cetona usando $\text{NaBH}_4$ o $\text{LiAlH}_4$; (e) reducción de un ácido carboxílico usando $\text{LiAlH}_4$; (f) hidrólisis de un éster usando ácido diluido o base diluida y calor.
    2. Describir: (a) la reacción con el oxígeno (combustión); (b) la sustitución para formar halogenoalcanos, p. ej., por reacción con $\text{HX(g)}$; o con $\text{KCl}$ y $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado o $\text{H}_3\text{PO}_4$ concentrado; o con $\text{PCl}_3$ y calor; o con $\text{PCl}_5$; o con $\text{SOCl}_2$; (c) la reacción con $\text{Na(s)}$; (d) la oxidación con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado o $\text{KMnO}_4$ acidulado para obtener: (i) compuestos carbonilo por destilación; (ii) ácidos carboxílicos por reflujo (los alcoholes primarios dan aldehídos que pueden oxidarse ulteriormente a ácidos carboxílicos, los alcoholes secundarios dan cetonas, los alcoholes terciarios no se oxidan); (e) la deshidratación a un alqueno, utilizando un catalizador calentado, p. ej., $\text{Al}_2\text{O}_3$ o un ácido concentrado; (f) la formación de ésteres por reacción con ácidos carboxílicos y $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado como catalizador, tal como lo ejemplifica el etanol.
    3. (a) clasificar los alcoholes en alcoholes primarios, secundarios y terciarios, incluyendo ejemplos con más de un grupo alcohol; (b) indicar reacciones características de diferenciación, p. ej., oxidación suave con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado, cambio de color de naranja a verde.
    4. Deducir la presencia de un grupo $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ en un alcohol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-\text{R}$, a partir de su reacción con $\text{I}_2\text{(aq)}$ alcalino para formar un precipitado amarillo de triyodometano y un ion, $\text{RCO}_2^-$.
    5. Explicar la acidez de los alcoholes en comparación con el agua.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un alcohol 醇 tiene el grupo funcional $\text{–OH}$ (hidroxilo).

    Botella de desinfectante de manos
    El etanol, el alcohol del desinfectante de manos, mata a los microbios

    Síntesis de alcoholes

    Método Reactivos y condiciones
    adición de vapor de agua a un alqueno $\text{H}_2\text{O(g)}$, catalizador de $\text{H}_3\text{PO}_4$ (adición electrofílica 亲电加成)
    un alqueno 烯烃 con $\text{KMnO}_4$ frío y diluido produce un diol 二醇 (dos grupos $\text{–OH}$)
    sustitución de una haloalcano 卤代烷 $\text{NaOH(aq)}$, calor
    reducción 还原 de un aldehído 醛 o cetona 酮 $\text{NaBH}_4$ o $\text{LiAlH}_4$
    reducción de un ácido carboxílico 羧酸 $\text{LiAlH}_4$
    hidrólisis 水解 de un éster 酯 ácido o base diluida, calor
    Erlenmeyers con líquido turbio tapados con papel aluminio, fermentando en un laboratorio
    Industrialmente, el etanol también se produce por fermentación de azúcares; posteriormente la destilación fraccionada lo separa del agua

    Reacciones de los alcoholes

    • combustión: los alcoholes arden en oxígeno para producir dióxido de carbono y agua.
    • sustitución a haloalcanos, por ejemplo con $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ y calor, o con $\text{SOCl}_2$.
    • con sodio: los alcoholes reaccionan con sodio metálico para liberar hidrógeno y formar un alcóxido de sodio — similar al agua, pero más lentamente.
    • oxidación 氧化 con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado (o $\text{KMnO}_4$). El producto depende de la clase del alcohol (ver abajo).
    • deshidratación 脱水 a un alqueno, usando un catalizador de $\text{Al}_2\text{O}_3$ caliente o ácido concentrado.
    • formación de ésteres: un alcohol reacciona con un ácido carboxílico (con catalizador de $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado) para formar un éster.
    Un alcohol reaccionando de cuatro formas: combustión, deshidratación a alqueno, esterificación y oxidación
    Un alcohol puede quemarse, deshidratarse, esterificarse u oxidarse

    Tres clases y cómo la oxidación las distingue

    Un alcohol es primario 伯, secundario 仲 o terciario 叔, dependiendo de cuántos carbonos estén unidos al carbono que porta el grupo $\text{–OH}$. Algunas moléculas tienen más de un grupo $\text{–OH}$.

    Tres carbonos centrales portando cada uno un grupo OH: primario tiene un grupo R y dos hidrógenos, secundario dos grupos R y un hidrógeno, terciario tres grupos R
    La clase está determinada por el carbono que lleva el –OH: un grupo R lo hace primario, dos secundario, tres terciario — lo cual decide cómo se oxida
    Clase Producto de oxidación
    primario aldehído (por destilación 蒸馏), luego ácido carboxílico (por reflujo 回流)
    secundario una cetona
    terciario no se oxida
    Esquema: un alcohol primario oxidándose a aldehído y luego a ácido carboxílico, un alcohol secundario a cetona, y un alcohol terciario sin oxidación
    Oxidación por clase: un alcohol primario da un aldehído y luego un ácido carboxílico, un secundario da una cetona, un terciario no se oxida

    En una prueba rápida, el $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado cambia de naranja a verde con un alcohol primario o secundario, pero permanece naranja con un alcohol terciario.

    Dos tubos de ensayo con dicromato naranja: el que contiene un alcohol primario o secundario se ha vuelto verde, el que contiene un terciario sigue naranja
    El dicromato acidulado cambia de naranja a verde con un alcohol primario o secundario, pero permanece naranja con un terciario
    • La destilación elimina el aldehído a medida que se forma, antes de que pueda oxidarse más.
    • El reflujo mantiene la mezcla hirviendo y devuelve el vapor, de modo que el alcohol se oxida completamente a ácido carboxílico.
    Dos conjuntos de material de laboratorio: reflujo con condensador vertical devolviendo el vapor al matraz, y destilación con condensador inclinado hacia un matraz colector
    La destilación elimina el aldehído a medida que se forma; el reflujo mantiene la ebullición y devuelve el vapor, oxidando completamente al ácido
    Columna de destilación fraccionada real con termómetro y condensador de agua
    Una instalación de destilación real: el vapor hierve, se enfría en el condensador y se recoge — el mismo principio separa el etanol de una mezcla fermentada

    La prueba del iodoformo

    Si se calienta un alcohol que contiene el grupo $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ con yodo acuoso alcalino, se obtiene un precipitado amarillo pálido de triiodometano 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) y el ion $\text{RCO}_2^-$. Esta es una prueba útil para dicho grupo.

    Acidez de los alcoholes

    El grupo $\text{–OH}$ hace que los alcoholes sean muy débilmente ácidos: pueden perder el $\text{H}^+$ para formar un ion $\text{RO}^-$. Pero su acidez 酸性 es menor que la del agua. Esto se debe a que el grupo alquilo empuja densidad electrónica hacia el oxígeno, lo que hace que el ion $\text{RO}^-$ sea menos estable, por lo que el alcohol retiene su $\text{H}^+$ con más fuerza.

    Ejemplo resuelto. Tres botellas sin etiquetar contienen butan-1-ol, butan-2-ol y 2-metilpropan-2-ol. ¿Cómo permite distinguirlos calentar cada uno con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado? Lo importante es cuántos hidrógenos hay sobre el carbono que porta el $\text{OH}$. El butan-1-ol es primario (tiene dos de estos hidrógenos): el dicromato naranja se vuelve verde, y mediante destilación se recoge un aldehído (butanal), o mediante reflujo se obtiene el ácido carboxílico (ácido butanoico). El butan-2-ol es secundario (tiene uno de estos hidrógenos): también se vuelve verde, pero el producto es una cetona (butanona), que no se oxidará más. El 2-metilpropan-2-ol es terciario (no tiene este tipo de hidrógenos): no hay nada que eliminar, por lo que el dicromato permanece naranja. El color solo diferencia al terciario de los otros dos; para distinguir entre primario y secundario, se debe identificar el producto (un aldehído da espejo de plata con Tollens', una cetona no).

    Explorar

    Mapa de reacciones de alcoholes

    Seleccionar qué ocurre con los alcoholes bajo diferentes reactivos.

    Explorar

    Laboratorio de prueba de oxidación de alcoholes

    Clasificar alcoholes según el producto de oxidación y la observación.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲电加成 qīn diàn jiā chéng
    alkene/ˈælkiːn/ 烯烃 xī tīng
    diol/dɪˈɒl/ 二醇 èr chún
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 醛 quán
    ketone/ˈketəʊn/ 酮 tóng
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    ester/ˈestə/ 酯 zhǐ
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
    dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ 脱水 tuō shuǐ
    primary/ˈpraɪməri/ 伯 bó
    secondary/ˈsekəndəri/ 仲 zhòng
    tertiary/ˈtɜːʃjəri/ 叔 shū
    distillation/dɪstɪˈleɪʃn/ 蒸馏 zhēng liú
    reflux/ˈriːflʌks/ 回流 huí liú
    tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/ 三碘甲烷 sān diǎn jiǎ wán
    acidity/æˈsɪdɪti/ 酸性 suān xìng
    16.1

    Consejos para el examen

    • Clasifique primero el alcohol como primario, secundario o terciario — esto determina el producto de oxidación.
    • Oxidación con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado (naranja → verde): primario → aldehído (destilar) → ácido (reflujo); secundario → cetona; terciario → sin reacción.
    • Distinga las condiciones para obtener aldehído vs. ácido a partir de un alcohol primario (destilación vs. reflujo).
    • Nombren correctamente los ésteres (la parte del ácido va segunda, terminando en "-oato").
  • 17

    Compuestos carbonilo

    Ver lección
    17.1

    Aldehídos y cetonas

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden producir aldehídos y cetonas: (a) la oxidación de alcoholes primarios utilizando $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidificado o $\text{KMnO}_4$ acidificado, seguido de destilación para producir aldehídos; (b) la oxidación de alcoholes secundarios utilizando $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidificado o $\text{KMnO}_4$ acidificado, seguido de destilación para producir cetonas.
    2. Describir: (a) la reducción de aldehídos y cetonas usando $\text{NaBH}_4$ o $\text{LiAlH}_4$ para producir alcoholes; (b) la reacción de aldehídos y cetonas con $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ como catalizador y calor para producir hidroxinitrilos, ejemplificado por el etanal y la propanona.
    3. Describir el mecanismo de las reacciones de adición nucleofílica del ácido cianhídrico con aldehídos y cetonas en 17.1.2(b).
    4. Describir el uso de la 2,4-dinitrofenilhidracina (reactivo 2,4-DNPH) para detectar la presencia de compuestos carbonílicos.
    5. Deducir la naturaleza (aldehído o cetona) de un compuesto carbonílico desconocido a partir de los resultados de pruebas simples (reactivo de Fehling y reactivo de Tollens; facilidad de oxidación).
    6. Deducir la presencia de un grupo $\text{CH}_3\text{CO}-$ en un aldehído o cetona, $\text{CH}_3\text{CO}-\text{R}$, a partir de su reacción con $\text{I}_2(\text{aq})$ alcalino para formar un precipitado amarillo de triyodometano y un ion, $\text{RCO}_2^-$.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los aldehídos y las cetonas son compuestos carbonílicos 羰基化合物 — contienen el grupo carbonilo 羰基 C=O.

    • en un aldehído 醛, el carbono del carbonilo está al final de la cadena (también porta un H), escrito $\text{–CHO}$.
    • en una cetona 酮, el carbono del carbonilo está en medio, entre dos otros carbonos.
    Una botella de quitaesmalte junto a almohadillas de algodón
    La propanona (acetona), la cetona más simple, es el disolvente en quitanaca
    Etanal con su carbono C=O en el extremo llevando un H, junto a propanona con su carbono C=O en el medio entre dos carbonos
    Tienen ambos el grupo carbonilo C=O: en un aldehído está al final de la cadena (–CHO), en una cetona está en medio

    Síntesis de aldehídos y cetonas

    Ambos se obtienen por oxidación 氧化 de un alcohol 醇 con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ o $\text{KMnO}_4$ acidificado:

    • un alcohol primario, con destilación 蒸馏, da un aldehído.
    • un alcohol secundario da una cetona.

    Reacciones

    • reducción 还原 con $\text{NaBH}_4$ o $\text{LiAlH}_4$ convierte un compuesto carbonílico de nuevo en un alcohol (un aldehído da un alcohol primario; una cetona da un alcohol secundario).
    • reacción con cianuro de hidrógeno 氰化氢 ($\text{HCN}$), con $\text{KCN}$ como catalizador y calor, añade $\text{H}$ y $\text{CN}$ a través del C=O para formar una hidroxinitrila 羟基腈. Esto añade un carbono a la cadena.

    Mecanismo: adición nucleofílica

    La reacción con $\text{HCN}$ es una adición nucleofílica 亲核加成. El carbono del carbonilo es ligeramente positivo (el oxígeno atrae los electrones away). Por tanto:

    1. el ion $\text{CN}^-$ (un nucleófilo) ataca al carbono ligeramente positivo.
    2. esto rompe el doble enlace C=O, dejando un oxígeno negativo ($\text{O}^-$).
    3. el $\text{O}^-$ toma un $\text{H}^+$ (de $\text{HCN}$) para completar la hidroxinitrila.
    El mecanismo de adición de HCN: cianuro atacando el carbono carbonílico ligeramente positivo, el C=O rompiéndose para dar un oxígeno negativo, luego el oxígeno tomando un protón
    Adición nucleofílica de HCN: CN$^-$ attacks the $\delta+$ carbonyl carbon, the C=O breaks to O$^-$, then O$^-$ takes an H$^+$
    Explorar

    Laboratorio de compuestos carbonilo

    Clasificar las reacciones de los carbonilos según lo que revelan.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    carbonyl compound/ˈkɑːbənaɪl ˈkɒmpaʊnd/ 羰基化合物 tāng jī huà hé wù
    carbonyl/ˈkɑːbənaɪl/ 羰基 tāng jī
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 醛 quán
    ketone/ˈketəʊn/ 酮 tóng
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    distillation/dɪstɪˈleɪʃn/ 蒸馏 zhēng liú
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/ 氰化氢 qíng huà qīng
    hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/ 羟基腈 qiǎng jī jīng
    nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲核加成 qīn hé jiā chéng
    Fehling's reagent/ˈfeɪlɪŋz rɪˈeɪdʒənt/ 斐林试剂 fěi lín shì jì
    Tollens' reagent/ˈtəʊlənz rɪˈeɪdʒənt/ 托伦试剂 tuō lún shì jì
    tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/ 三碘甲烷 sān diǎn jiǎ wán
    17.1

    Pruebas para compuestos carbonílicos

    Detección de cualquier carbonilo

    Añadir reactivo 2,4-DNPH (hidrazona de 2,4-dinitrofenilo). Un precipitado naranja confirma que el compuesto es un aldehído o una cetona.

    Diferenciar un aldehído de una cetona

    Los aldehídos se oxidan fácilmente a ácidos carboxílicos, pero las cetonas no. Dos pruebas aprovechan esta diferencia:

    Prueba Aldehído Cetona
    Reactivo de Fehling 斐林试剂 (solución azul) forma un precipitado rojo ladrillo sin cambio
    Reactivo de Tollens 托伦试剂 (incoloro) produce un espejo de plata sin cambio
    Dos tubos de ensayo: la solución de Fehling dando un precipitado rojo ladrillo y el reactivo de Tollens dando un espejo de plata, ambos con un aldehído
    Diferenciar un aldehído de una cetona: un aldehído da un precipitado rojo ladrillo con Fehling y un espejo de plata con Tollens'; una cetona no muestra cambios
    Un tubo de ensayo cuya pared interior está recubierta con una capa plateada brillante y lustrosa, como un espejo
    Prueba de Tollens positiva: un aldehído recubre el tubo con un brillante espejo de plata

    La prueba del iodoformo

    Si el compuesto tiene el grupo $\text{CH}_3\text{CO}-$, calentarlo con yodo acuoso alcalino da un precipitado amarillo pálido de triiodometano 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) y el ion $\text{RCO}_2^-$.

    Ejemplo resuelto. Un líquido da un precipitado naranja con 2,4-DNPH, no da espejo de plata con el reactivo de Tollens, y da un precipitado amarillo con yodo acuoso alcalino. Identifíquelo. Analice las pruebas una a una, usando cada una exactamente para lo que demuestra. El precipitado naranja con 2,4-DNPH prueba la presencia de un grupo carbonilo - un aldehído o una cetona, nada más. No haber espejo de plata con Tollens descarta un aldehído, por lo que debe ser una cetona. El precipitado amarillo en la prueba de iodoformo prueba un grupo $\text{CH}_3\text{CO}-$ junto al carbonilo. El compuesto más simple que satisface las tres condiciones es la propanona, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Mantenga claros los roles: 2,4-DNPH detecta cualquier carbonilo, Tollens separa aldehídos de cetonas, e iodoformo detecta el grupo metilo adyacente al C=O.

    Explorar

    Laboratorio de pruebas de carbonilo

    Asociar observaciones con aldehídos y cetonas.

    17.1

    Consejos para el examen

    • 2,4-DNPH da un precipitado naranja con cualquier carbonilo — prueba la presencia de $\text{C}=\text{O}$.
    • Tollens (espejo de plata) y Fehling (ladrillo rojo) son positivos solo para aldehídos — así se diferencian los aldehídos de las cetonas.
    • La adición nucleofílica de HCN añade un carbono (→ hidroxinitrila); muestre las flechas curvas.
    • La prueba de iodoformo (triiodometano) es positiva para grupos $\text{CH}_3\text{CO}-$.
  • 18

    Ácidos carboxílicos y derivados

    Ver lección
    18.1

    Ácidos carboxílicos

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones mediante las cuales se pueden producir ácidos carboxílicos: (a) oxidación de alcoholes primarios y aldehídos con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidulado o $\text{KMnO}_4$ acidulado, en condiciones de reflujo; (b) hidrólisis de nitrilos con ácido diluido o base diluida, seguida de acidificación; (c) hidrólisis de ésteres con ácido diluido o base diluida, con calentamiento, seguida de acidificación.
    2. Describir: (a) la reacción de redox con metales reactivos para producir una sal y $\text{H}_2(\text{g})$; (b) la reacción de neutralización con bases para producir una sal y $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$; (c) la reacción ácido-base con carbonatos para producir una sal, $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ y $\text{CO}_2(\text{g})$; (d) la esterificación con alcoholes, utilizando $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado como catalizador; (e) la reducción por $\text{LiAlH}_4$ para formar un alcohol primario.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un ácido carboxílico 羧酸 tiene el grupo funcional $\text{–COOH}$ (carboxilo). Es un ácido débil.

    Frascos de vinagre en una estantería
    El vinagre es una solución diluida de ácido etanoico, un ácido carboxílico

    Síntesis de ácidos carboxílicos

    • oxidación 氧化 de un alcohol primario 醇 o de un aldehído 醛 con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ o $\text{KMnO}_4$ acidificados, con reflujo 回流 (para que se oxide completamente).
    • hidrólisis 水解 de una nitrila 腈 con ácido o base diluidos, seguido de la acidificación.
    • hidrólisis de un éster 酯 con ácido o base diluidos y calor, seguido de la acidificación.

    Reacciones de los ácidos carboxílicos

    Todas estas reacciones demuestran que los ácidos carboxílicos actúan como ácidos:

    • con un metal reactivo (una reacción de redox 氧化还原): produce una sal 盐 e hidrógeno.
    $$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
    • con una base (una neutralización 中和): produce una sal y agua.
    $$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
    • con un carbonato 碳酸盐: produce una sal, agua y dióxido de carbono. El burbujeo de $\text{CO}_2$ es una prueba para identificar un ácido carboxílico.
    $$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$
    Diagrama ramificado que muestra un ácido carboxílico reaccionando con un metal reactivo, una base y un carbonato para dar los productos etiquetados
    Los ácidos carboxílicos se comportan como ácidos: forman una sal con un metal (+ H$_2$), with an alkali (+ water), or with a carbonate (+ water + CO$_2$ — el burbujeo es una prueba)

    Dos reacciones cambian el grupo funcional:

    • esterificación 酯化 con un alcohol (catalizador de $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado) produce un éster.
    • reducción 还原 por $\text{LiAlH}_4$ produce un alcohol primario.
    Explorar

    Mapa de reacciones de ácidos carboxílicos

    Siga los ácidos carboxílicos a través de la neutralización, esterificación y reducción.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 醛 quán
    reflux/ˈriːflʌks/ 回流 huí liú
    ester/ˈestə/ 酯 zhǐ
    redox/rɪˈdɒks/ 氧化还原 yǎng huà huán yuán
    carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 碳酸盐 tàn suān yán
    18.2

    Ésteres

    Syllabus
    1. recordar la reacción (reactivos y condiciones) mediante la cual se pueden producir ésteres: (a) la reacción de condensación entre un alcohol y un ácido carboxílico con $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado como catalizador
    2. describir la hidrólisis de los ésteres por ácido diluido y por base diluida con calor

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un éster tiene el grupo $\text{–COO–}$. A menudo tienen olor dulce o frutal.

    Una botella de perfume de cristal tallado ornamentada
    Los ésteres dan a muchas frutas y perfumes su olor dulce

    Síntesis de ésteres

    Un éster se forma en una reacción de condensación 缩合 entre un alcohol y un ácido carboxílico, con $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado como catalizador. Se pierde una molécula de agua y la reacción es reversible:

    $$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$
    Ecuación de esterificación donde se resaltan el OH del ácido y el H del alcohol como los átomos que salen como agua, y el nuevo enlace de oxígeno del éster
    La esterificación es una condensación: el –OH del ácido y el –H del alcohol salen como agua, formando el enlace C–O–C del éster

    Hidrólisis de ésteres

    La hidrólisis descompone el éster nuevamente. Las condiciones determinan los productos:

    • ácido diluido y calor: reversible. Regresa el ácido carboxílico y el alcohol.
    • base diluida y calor: no reversible. Produce el alcohol y la sal 盐 del ácido carboxílico (el ion carboxilato).
    Diagrama ramificado: la hidrólisis de un éster con ácido diluido da un ácido carboxílico y un alcohol; con base diluida da una sal de carboxilato y un alcohol
    Hidrolizando un éster: ácido diluido (reversible) produce el ácido carboxílico y el alcohol; base diluida (no reversible) produce la sal de carboxilato y el alcohol

    Ejemplo resuelto. Nombra el éster formado a partir de etanol y ácido propanoico, e indica qué parte proviene de cuál. En el nombre de un éster, el alcohol proporciona la primera palabra (la parte alquilo) y el ácido proporciona la segunda (la parte -oato). El etanol aporta $\text{C}_2\text{H}_5-$ y el ácido propanoico aporta $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$, por lo tanto el éster es propanoato de etilo, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$. Se prepara mediante reflujo de ambos compuestos con un catalizador de $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado, y la reacción es reversible, por lo que el rendimiento nunca es completo. El error común es nombrarlo al revés: etanoato de propilo es un éster completamente diferente (formado a partir de propan-1-ol y ácido etanoico). Alcohol primero, ácido después.

    Explorar

    Laboratorio de ruta de ésteres

    Seguir la formación e hidrólisis de ésteres como rutas reversibles.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
    salt/sɒlt/ 盐 yán
    neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 中和 zhōng hé
    esterification/ˌestəˌrɪfɪˈkeɪʃn/ 酯化 zhǐ huà
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 缩合 suō hé
    18.2

    Consejos para el examen

    • Los ácidos carboxílicos reaccionan con carbonatos para producir $\text{CO}_2$ (burbujeo) — esto los diferencia de los fenoles.
    • Explica la fuerza ácida mediante el ion carboxilato deslocalizado; los grupos electronegativos (ej. Cl) aumentan la fuerza.
    • La esterificación (con $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado) es reversible; nombra los ésteres como alcoxi alkanoato.
    • Conoce los productos de la hidrólisis ácida frente a alcalina de un éster (son diferentes).
  • 19

    Compuestos nitrogenados

    Ver lección
    19.1

    Aminas primarias

    Syllabus
    1. Recuerda las reacciones mediante las cuales se pueden obtener aminas: (a) reacción de una halogenoalcano con $\text{NH}_3$ en etanol, calentado bajo presión. La clasificación de las aminas no será objeto de evaluación en el nivel AS.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Huesos de lana teñidos de rojo, azul, amarillo y crema, colgados para secarse en un raíl de madera
    Tintura de tejidos: la química azo y amina es lo que da un color vivo y resistente a las fibras

    Una amina 胺 tiene un grupo $\text{–NH}_2$ (el nitrógeno reemplaza a un hidrógeno del amoníaco).

    Síntesis de una amina primaria

    Calienta un haloalcano 卤代烷 con amoníaco disuelto en etanol, bajo presión:

    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HBr}$$

    Esta es una sustitución nucleofílica 亲核取代: el par solitario del nitrógeno del amoníaco ataca al carbono ligeramente positivo y expulsa al halógeno. Se utiliza un exceso de amoníaco, ya que si no, la amina formada podría reaccionar nuevamente.

    Un haloalcano reaccionando con amoníaco: el par solitario del nitrógeno ataca el carbono ligeramente positivo y el bromo sale, dando una amina primaria y HBr
    Síntesis de una amina primaria: el par solitario del amoníaco ataca al carbono δ+ y expulsa al halógeno — una sustitución nucleofílica
    Explorar

    Laboratorio de reacción de aminas

    Clasificar ejemplos de aminas según su basicidad y comportamiento nucleofílico.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲核取代 qīn hé qǔ dài
    19.2

    Nitrilos e hidroxicianhidrinas

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones mediante las cuales se pueden obtener nitrilos: (a) reacción de un halogenoalcano con $\text{KCN}$ en etanol y calor
    2. Recordar las reacciones mediante las cuales se pueden obtener hidroxinitrilos: (a) la reacción de aldehídos y cetonas con $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ como catalizador y calor
    3. Describir la hidrólisis de nitrilos con ácido diluido o base diluida, seguida de acidificación, para producir un ácido carboxílico

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Síntesis de un nitrilo

    Calienta un haloalcano con cianuro de potasio ($\text{KCN}$) en etanol:

    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{KCN} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{CN} + \text{KBr}$$

    También se trata de una sustitución nucleofílica, con el ion $\text{CN}^-$ como nucleófilo. Es útil porque añade un átomo de carbono a la cadena. El producto es un nitrilo 腈.

    Síntesis de una hidroxicianhidrina

    Añade $\text{HCN}$ (con $\text{KCN}$ como catalizador, y calor) a un aldehído 醛 o cetona 酮. El $\text{H}$ y el $\text{CN}$ se adicionan sobre el enlace C=O para dar lugar a una hidroxicianhidrina 羟基腈. El reactivo es el cianuro de hidrógeno 氰化氢, y el mecanismo es una adición nucleofílica 亲核加成.

    Dos reacciones: el ion cianuro sustituyendo un halogenoalcano por un nitrilo, y el cianuro de hidrógeno añadiéndose a un grupo carbonilo para dar un hidroxi nitrilo
    Dos formas en que el cianuro añade un carbono: KCN con un haloalcano sustituye para formar un nitrilo; HCN con un carbonilo se adiciona para formar una hidroxicianhidrina

    Hidrólisis de nitrilos

    Calienta suavemente un nitrilo con ácido diluido (o base diluida, luego acidifica). Esta hidrólisis 水解 convierte el grupo $\text{–CN}$ en un grupo $\text{–COOH}$, dando lugar a un ácido carboxílico 羧酸:

    $$\text{CH}_3\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{NH}_4\text{Cl}$$

    Un nitrilo también puede ser reducido por hidrógeno y un catalizador para formar una amina, que es la ruta de reducción 还原 hacia una amina de cadena más larga.

    Un esquema: un halogenoalcano convirtiéndose en un nitrilo con KCN (añadiendo un carbono), luego el nitrilo hidrolizándose a un ácido carboxílico o reduciéndose a una amina
    Los nitrilos son un centro útil: KCN añade un carbono para formar el nitrilo, que luego se hidroliza a un ácido carboxílico o se reduce a una amina
    A packet of nylon stockings
    La reducción de un nitrilo produce una amina; las aminas y los diácidos se unen para formar poliamidas como el nailon — la fibra que primero se hizo famosa en medias

    Ejemplo resuelto. Partiendo de bromoetano, sintetizar ácido propanoico. Compare primero los carbonos: el bromoetano tiene 2 y el ácido propanoico tiene 3, por lo que se debe añadir un carbono; y la $\text{KCN}$ paso es la reacción que lo hace. Paso 1: caliente el bromoetano con etanolico $\text{KCN}$; la sustitución nucleofílica da propanonitrilo, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CN}$, que ahora tiene 3 carbonos porque el $\text{CN}$ carbono se une a la cadena. Paso 2: hierva a reflujo el nitrilo con diluido $\text{HCl}$; la hidrólisis produce ácido propanoico. Cuente los carbonos antes de planificar: siempre que el producto tenga exactamente uno más que el material de partida, la ruta del nitrilo es casi siempre la respuesta esperada, y recuerde que el $\text{CN}$ carbono forma parte de la nueva cadena.

    Explorar

    Ruta de síntesis de nitrilos

    Seguir a los nitrilos y hidroxinitrilos como herramientas para la extensión de la cadena de carbono.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 醛 quán
    ketone/ˈketəʊn/ 酮 tóng
    hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/ 羟基腈 qiǎng jī jīng
    hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/ 氰化氢 qíng huà qīng
    nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 亲核加成 qīn hé jiā chéng
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    19.2

    Consejos para el examen

    • Las aminas son bases (el par libre del N acepta $\text{H}^+$); las aminas alifáticas son bases más fuertes que el amoníaco.
    • Síntesis de aminas: reduzca un nitrilo, o reaccione una halogenoalcano con exceso de amoníaco.
    • KCN añade un carbono (halogenoalcano → nitrilo) — lleve un control cuidadoso del conteo de carbonos en las rutas de síntesis.
    • Indique los reactivos y condiciones con precisión para cada conversión.
  • 20

    Polimerización

    Ver lección
    20.1

    Polimerización por adición

    Syllabus
    1. describir la polimerización de adición ejemplificada por el polietileno y el policloroeteno (PVC)
    2. deducir la unidad repetitiva de un polímero de adición obtenido a partir de un monómero dado
    3. identificar el/los monómero/s presentes en una sección dada de una molécula de polímero de adición
    4. reconocer la dificultad de eliminación del polialqueno, es decir, su no biodegradabilidad y los productos nocivos de su combustión

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En la polimerización por adición 加成聚合, muchas moléculas pequeñas se unen para formar una sola cadena muy larga, sin producirse ningún otro producto.

    Cada molécula pequeña es un monómero 单体. Debe ser insaturado: posee un doble enlace C=C. El doble enlace se abre para que los monómeros puedan enlazarse entre sí. La cadena larga que se forma es el polímero 聚合物.

    Varios monómeros de eteno, cada uno con un doble enlace C=C, abriendo sus dobles enlaces y uniéndose extremo a extremo en una única cadena larga de polímero mediante enlaces simples
    El doble enlace de cada monómero se abre y los monómeros se unen extremo a extremo formando una sola cadena larga — sin generarse otros productos
    Un montón de pequeños gránulos translúcidos de poli(eteno) junto a una regla que indica que tienen unos pocos milímetros de diámetro
    El poli(eteno), un polímero común por adición, se suministra como pequeños gránulos de unos pocos milímetros de diámetro; estos se derriten posteriormente y se moldean en botellas, bolsas y otros productos

    Unidades repetitivas

    La unidad repetitiva 重复单元 es la parte pequeña que se copia una y otra vez a lo largo de la cadena. Para hallarla, tome el monómero, cambie el C=C por un enlace simple C–C y dibuje enlaces hacia afuera en ambos extremos.

    • El poli(eteno) 聚乙烯 se fabrica a partir de eteno:
    $$n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CH}_2)_n-$$
    • El poli(cloroeteno) 聚氯乙烯 (PVC) se fabrica a partir de cloroeteno:
    $$n\,\text{CH}_2{=}\text{CHCl} \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CHCl})_n-$$
    Cloroeteno con su doble enlace a la izquierda y la unidad repetitiva del PVC entre corchetes a la derecha, con flechas que indican abrir el C=C y volver a colocarlo
    Hallar la unidad repetitiva: cambie el C=C del monómero por un enlace simple y dibuje enlaces hacia afuera en ambos extremos; invierta el proceso para encontrar el monómero

    Hallar el monómero

    Para hacer lo contrario, observe una unidad repetitiva del polímero y vuelva a colocar el doble enlace C=C. Esto le dará el monómero.

    Ejemplo resuelto. Un polímero tiene la unidad repetitiva $-(\text{CH}_2{-}\text{CH}(\text{CH}_3))_n-$. Identifique el monómero y nombre el polímero. Invierta la regla que utilizó para construirlo: borre los enlaces que sobresalen en ambos extremos y convierta el enlace simple C-C en la columna vertebral nuevamente en un C=C. Esto da $\text{CH}_2{=}\text{CH}(\text{CH}_3)$, que es propeno; por tanto, el polímero es poli(propeno). Dos comprobaciones evitan la mayoría de errores: el monómero debe tener la misma fórmula molecular que la unidad repetitiva (la polimerización por adición no añade ni pierde nada), y el doble enlace vuelve a colocarse en la columna vertebral, nunca en el grupo lateral.

    Explorar

    Ruta de polimerización por adición

    Observar cómo los monómeros alquénicos se unen abriendo sus dobles enlaces.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 加成聚合 jiā chéng jù hé
    monomer/ˈmɒnəʊmə/ 单体 dān tǐ
    polymer/ˈpɒlɪmə/ 聚合物 jù hé wù
    repeat unit/rɪˈpiːt ˈjuːnɪt/ 重复单元 chóng fù dān yuán
    poly(ethene)/ˈpɒlɪ/ 聚乙烯 jù yǐ xī
    poly(chloroethene)/ˈpɒlɪ/ 聚氯乙烯 jù lǜ yǐ xī
    non-biodegradable/nɒn ˌbaɪəʊdɪˈɡreɪdəbl/ 不可生物降解 bù kě shēng wù jiàng jiě
    combustion/kəmˈbʌstʃn/ 燃烧 rán shāo
    20.1

    El problema de la eliminación

    Los poli(alcenos) son muy difíciles de eliminar:

    • Son no biodegradables 不可生物降解 — los microbios no pueden descomponerlos, por lo que permanecen en el suelo durante mucho tiempo.
    • Su combustión 燃烧 (quema) puede liberar gases nocivos. Por ejemplo, al quemar PVC se desprende cloruro de hidrógeno tóxico.
    Residuos plásticos arrojados a lo largo de una playa
    La mayoría de los polímeros por adición no son biodegradables, por lo que se acumulan como residuos en el medio ambiente
    Diagrama que muestra cómo los residuos de poli(alceno) generan dos problemas: residuos no biodegradables que permanecen en vertederos y la quema de PVC que libera HCl tóxico
    Los residuos de poli(alceno) son difíciles de eliminar: no son biodegradables y la quema de PVC libera cloruro de hidrógeno tóxico
    20.1

    Consejos para el examen

    • Dibuje la unidad repetitiva entre paréntesis con los dos enlaces cruzándola y la $n$ fuera; conserve los carbonos de la columna vertebral.
    • Deduzca el monómero a partir de un polímero (y viceversa): es una pregunta muy habitual.
    • Los polímeros por adición son inertes y no biodegradables: relacione esto con los problemas de vertederos, reciclaje e incineración.
    • No los confunda con la polimerización por condensación (en la polimerización por adición no se pierde ninguna molécula pequeña).
  • 21

    Síntesis orgánica

    Ver lección
    21.1

    Síntesis orgánica

    Syllabus
    1. Para una molécula orgánica que contiene varios grupos funcionales: (a) identificar grupos funcionales orgánicos utilizando las reacciones del programa de estudios (b) predecir propiedades y reacciones
    2. Diseñar rutas sintéticas de múltiples pasos para la preparación de moléculas orgánicas utilizando las reacciones del programa de estudios
    3. Analizar una ruta sintética dada en términos del tipo de reacción y los reactivos utilizados en cada paso, así como los posibles subproductos

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Este tema no introduce reacciones nuevas. En su lugar, te pide que conectes las reacciones que ya conoces para construir una molécula objetivo en varios pasos.

    White tablets in foil blister packs
    Los medicamentos se construyen a partir de materiales de partida simples mediante síntesis orgánica de múltiples pasos

    Identificación de grupos funcionales

    Una molécula puede tener más de un grupo funcional 官能团. Utiliza las reacciones de prueba del programa de estudios para identificar cada uno y predecir el comportamiento de la molécula. Por ejemplo:

    • decolora el agua de bromo → un doble enlace C=C (un alqueno 烯烃).
    • forma un precipitado con nitrato de plata → una haloalcano 卤代烷.
    • naranja $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ se vuelve verde → un alcohol primario o secundario 醇.
    • precipitado naranja con 2,4-DNPH → una aldehído 醛 o cetona 酮.
    • burbujea con un carbonato → un ácido carboxílico 羧酸.
    Una tabla de tres columnas listando cada reactivo de prueba, la observación que produce y el grupo funcional que identifica
    Las pruebas de identificación estándar: cada reactivo produce una observación característica que apunta a un grupo funcional

    Un mapa de las reacciones AS

    Cada fila convierte un grupo funcional en otro. Apréndelo como un mapa por el que puedes viajar:

    Inicio Reactivo y condiciones Producto
    alqueno $\text{H}_2$, Ni alcano
    alqueno $\text{HX}$, o $\text{X}_2$ haloalcano
    alqueno vapor de agua, $\text{H}_3\text{PO}_4$ alcohol
    haloalcano $\text{NaOH(aq)}$, calor alcohol
    haloalcano $\text{KCN}$ en etanol, calor una nitrilo 腈 (añade un carbono)
    haloalcano $\text{NH}_3$ en etanol, presión una amina 胺
    alcohol $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, destila / reflujo aldehído / ácido carboxílico
    alcohol ácido concentrado, calor alqueno
    aldehído o cetona $\text{NaBH}_4$ alcohol
    aldehído o cetona $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ hidroxi-nitrilo
    nitrilo ácido diluido, calor ácido carboxílico
    ácido carboxílico + alcohol concentrado $\text{H}_2\text{SO}_4$ un éster 酯
    Un diagrama de red vinculando alqueno, alcano, halogenoalcano, alcohol, aldehído, nitrilo, amina, ácido carboxílico y éster mediante flechas de reactivos etiquetadas
    Un mapa de las reacciones AS: cada flecha convierte un grupo funcional en otro. Trabaja hacia atrás desde tu objetivo para planificar una ruta

    Planificación de una ruta de múltiples pasos

    Para diseñar una ruta sintética 合成路线:

    1. compara el objetivo con el material de partida — ¿qué ha cambiado (el grupo funcional, el número de carbonos)?
    2. trabaja hacia atrás desde el objetivo: ¿cuál reacción simple podría producirlo, y a partir de qué?
    3. repite hasta llegar al material de partida.
    4. escribe cada paso con su reactivo 试剂 y condiciones.

    Si necesitas añadir un carbono, el paso $\text{KCN}$ es clave — es la única reacción AS que alarga la cadena.

    Una cadena de síntesis desde eteno hasta ácido propanoico con el reactivo en cada paso hacia adelante, y una gran flecha hacia atrás mostrando que la planificación va desde el objetivo hacia atrás hasta el inicio
    Planifica una ruta trabajando hacia atrás desde el objetivo, una reacción a la vez, hasta llegar al material de partida

    Análisis de una ruta

    Cuando se te da una ruta, para cada paso indica el tipo de reacción (como oxidación 氧化, reducción 还原, sustitución, adición o eliminación) y el reactivo utilizado. También piensa en posibles subproductos 副产物 — por ejemplo, hacer una amina a partir de un haloalcano también produce una mezcla de aminas más sustituidas, por lo que el rendimiento de la amina simple es bajo.

    Un embudo de decantación sujeto sobre un vaso, conteniendo dos capas líquidas de color diferente que no se mezclan
    Un embudo de separación divide dos capas inmiscibles — cómo se recupera el producto orgánico de la mezcla de reacción
    Para cada paso en una ruta dada, pregunte tres cosas: su tipo de reacción, su reactivo y condiciones, y si los subproductos reducen el rendimiento
    Para cada paso en una ruta dada, pregunta su tipo de reacción, reactivo y subproductos
    Los cinco tipos de reacción con lo que hace cada uno: oxidación, reducción, sustitución, adición y eliminación
    Nombra el tipo de reacción en cada paso: oxidación, reducción, sustitución, adición o eliminación

    Ejemplo resuelto. Diseña una ruta desde propeno a propanona, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Trabaja hacia atrás desde el objetivo. Una cetona proviene de oxidar un alcohol secundario, así que el paso anterior a la propanona es propan-2-ol con $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidificado bajo reflujo. El propan-2-ol proviene del propeno mediante la adición de vapor de agua sobre un catalizador de $\text{H}_3\text{PO}_4$ — y la regla de Markovnikov pone convenientemente el $\text{OH}$ en el carbono central, que es exactamente el alcohol secundario necesario. Así que la ruta es: propeno, luego vapor de agua con $\text{H}_3\text{PO}_4$, dando propan-2-ol; luego $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidificado bajo reflujo, dando propanona. Indica un reactivo y sus condiciones en cada flecha: una ruta con los intermediarios correctos pero sin reactivos obtiene muy pocos puntos.

    Explorar

    Laboratorio del mapa de reacciones

    Clasificar pistas que identifican grupos funcionales y rutas de reacción.

    Explorar

    Laboratorio de planificación de rutas sintéticas

    Siga cómo se planifica una molécula objetivo hacia atrás y luego se sintetiza hacia adelante.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 官能团 guān néng tuán
    alkene/ˈælkiːn/ 烯烃 xī tīng
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 醛 quán
    ketone/ˈketəʊn/ 酮 tóng
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
    amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
    ester/ˈestə/ 酯 zhǐ
    synthetic route/sɪnˈθetɪk ruːt/ 合成路线 hé chéng lù xiàn
    reagent/rɪˈeɪdʒənt/ 试剂 shì jì
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    by-product/baɪ ˈprɒdʌkt/ 副产物 fù chǎn wù
    21.1

    Consejos para el examen

    • Aprende los reactivos y condiciones para cada conversión — eso es exactamente lo que prueban las preguntas de síntesis.
    • Planifica rutas de múltiples pasos por grupo funcional y vigila el recuento de carbonos (KCN añade un carbono).
    • Elige la ruta corta válida y menciona todos los reactivos y condiciones.
  • 22

    Técnicas analíticas

    Ver lección
    22.1

    Espectroscopia infrarroja

    Syllabus
    1. analizar un espectro infrarrojo de una molécula simple para identificar grupos funcionales (consulte la sección de Datos para conocer los grupos funcionales requeridos)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La espectroscopía infrarroja ayuda a encontrar el grupo funcional en una molécula. Cada tipo de enlace absorbe radiación infrarroja en su propio rango de frecuencias. Donde el enlace muestra una absorción fuerte, el espectro tiene una caída.

    A benchtop infrared spectrometer in a laboratory
    Un espectrómetro infrarrojo emite luz infrarroja a través de una muestra y registra qué números de onda absorben sus enlaces

    La posición se mide en número de onda 波数 (en $\text{cm}^{-1}$). Se te da una tabla de datos, así que no memorizas los números. Solo emparejas las caídas con los enlaces:

    • una caída amplia alrededor de $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → un enlace O–H en un alcohol.
    • una caída alrededor de $1700\ \text{cm}^{-1}$ → un enlace C=O (aldehído, cetona, ácido o éster).
    • una caída amplia $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ junto con una caída C=O → un ácido carboxílico.

    Esto es útil para verificar una reacción. Por ejemplo, si el propeno se ha convertido en propan-2-ol, la caída del C=C debería haber desaparecido y aparecería una caída del O–H.

    Un espectro infrarrojo con transmitancia cayendo en una banda amplia de O-H y una aguda de C=O
    Un espectro infrarrojo: cada enlace produce un pico a su propio número de onda. Un pico amplio del grupo O–H junto con un pico del grupo C=O identifica un ácido carboxílico
    Explorar

    Laboratorio de espectroscopía IR

    Relacionar una absorción con el enlace o grupo funcional que revela.

    22.2

    Espectrometría de masas

    Syllabus
    1. analizar espectros de masas en términos de valores $m/e$ y abundancias isotópicas (no se requiere conocimiento del funcionamiento del espectrómetro de masas)
    2. calcular la masa atómica relativa de un elemento dadas las abundancias relativas de sus isótopos, o su espectro de masas
    3. deducir la masa molecular de una molécula orgánica a partir del pico del ion molecular en un espectro de masas
    4. sugerir la identidad de las moléculas formadas por fragmentación simple en un espectro de masas dado
    5. deducir el número de átomos de carbono, $n$, en un compuesto utilizando el pico $[M + 1]^+$ y la fórmula
      $$n = \frac{100 \times \text{abundancia del ion } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundancia del ion } M^+}$$
    6. deducir la presencia de átomos de bromo y cloro en un compuesto utilizando el pico $[M + 2]^+$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En espectrometría de masas 质谱, una molécula se convierte en iones y se ordena por su relación masa-carga 质荷比 ($m/e$). El espectro es un conjunto de picos en diferentes valores de $m/e$.

    Un científico en un laboratorio cargando una pequeña muestra en un moderno espectrómetro de masas grande
    Un espectrómetro de masas moderno: la muestra se carga en la parte frontal, luego la máquina la ioniza y separa los iones por su relación masa-carga para dar el espectro

    Masa atómica relativa a partir de isótopos

    La mezcla de isótopos 同位素 de un elemento da varios picos. A partir de la abundancia isotópica 同位素丰度 (lo común que es cada isótopo) puedes encontrar la masa atómica relativa 相对原子质量 — un promedio ponderado:

    $$A_r = \frac{\sum (\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$$

    For example, chlorine is 75% $^{35}\text{Cl}$ and 25% $^{37}\text{Cl}$, giving $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.

    El ión molecular y la fragmentación

    El pico en el $m/e$ más alto (el pico del ion molecular 分子离子, o pico del ion molecular 分子离子峰, $M^+$) da la masa molecular relativa de toda la molécula.

    La molécula también se rompe en piezas más pequeñas — esto es fragmentación 碎裂. La diferencia entre dos picos te dice la masa de la pieza perdida, por lo que puedes sugerir cada fragmento 碎片. Por ejemplo, una pérdida de 15 significa que se perdió un grupo $\text{CH}_3$, y una pérdida de 29 significa $\text{CHO}$ o $\text{C}_2\text{H}_5$.

    Un espectro de masas del etanol con picos en varios valores m/e, el ion molecular en 46 marcado y un hueco de 15 desde 46 hasta 31 etiquetado como la pérdida de un grupo metilo
    Un espectro de masas: el pico de mayor $m/e$ es el ion molecular ($M^+$, el $M_r$); las diferencias entre picos dan las masas de los fragmentos perdidos

    Los picos [M + 1] y [M + 2]

    • un pequeño pico [M + 1] proviene del isótopo $^{13}\text{C}$. El número de átomos de carbono $n$ es:
    $$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundance of } M^+}$$
    • un pico [M + 2] muestra cloro o bromo. Un cloro da un pico $[M + 2]$ aproximadamente un tercio de la altura de $M^+$ (de $^{37}\text{Cl}$); un bromo da un pico $[M + 2]$ aproximadamente de la misma altura que $M^+$ (de $^{81}\text{Br}$).
    Dos pares de picos de espectro de masas separados dos unidades: un par de cloro en proporción 3 a 1 y un par de bromo en proporción 1 a 1
    Un pico $[M+2]$ dos unidades de masa por encima de $M^+$ muestra un halógeno: un cloro da una proporción $3:1$, un bromo una proporción $1:1$

    Ejemplo resuelto. Un compuesto muestra un ion molecular en $m/e = 108$ y un pico de altura casi igual en $m/e = 110$. Su espectro infrarrojo muestra ninguna absorción ancha cerca de $3300\ \text{cm}^{-1}$. Deduzca su identidad. Dos picos separados por dos unidades con alturas aproximadamente iguales son la $1:1$ firma de un átomo de bromo (de $^{79}\text{Br}$ y $^{81}\text{Br}$); un cloro habría dado una proporción de $3:1$ en su lugar. Retire el bromo del ion molecular: $108 - 79 = 29$, lo cual coincide con un fragmento de $\text{C}_2\text{H}_5$. La ausencia de un pico ancho cerca de $3300\ \text{cm}^{-1}$ descarta un $\text{O-H}$, por lo tanto no hay grupo alcohol. El compuesto es bromoetano, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Lea la $[M+2]$ proporción en lugar de simplemente notar el pico: $1:1$ significa bromo, $3:1$ significa cloro.

    Explorar

    Ruta de espectrometría de masas

    Seguir una molécula a través de la ionización, separación y detección.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    infrared spectroscopy/ˌɪnfrəˈred spekˈtrɒskəpi/ 红外光谱 hóng wài guāng pǔ
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 官能团 guān néng tuán
    absorption/əbˈsɔːpʃn/ 吸收 xī shōu
    wavenumber/ˈweɪvnʌmbə/ 波数 bō shù
    mass spectrometry/mæs spekˈtrɒmətri/ 质谱 zhì pǔ
    mass-to-charge ratio/mæs tə tʃɑːdʒ ˈreɪʃɪəʊ/ 质荷比 zhì hé bǐ
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
    isotopic abundance/ˌaɪsəˈtɒpɪk əˈbʌndəns/ 同位素丰度 tóng wèi sù fēng dù
    relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ 相对原子质量 xiāng duì yuán zi zhì liàng
    molecular ion/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn/ 分子离子 fèn zǐ lí zi
    molecular ion peak/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn piːk/ 分子离子峰 fèn zǐ lí zi fēng
    fragmentation/ˌfræɡmənˈteɪʃn/ 碎裂 suì liè
    fragment/ˈfræɡmənt/ 碎片 suì piàn
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    22.2

    Consejos para el examen

    • En un espectro IR cite el número de onda y el enlace (O-H ancho $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$); utilice la hoja de datos.
    • El pico en el mayor $m/z$ es el ion molecular $\text{M}^+$ y proporciona la $M_r$.
    • Explique la fragmentación: la separación entre picos corresponde al fragmento perdido (pérdida de 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ o CHO).
    • Aprenda los patrones de isótopos comunes (el Cl da M y M+2 en una proporción de aproximadamente 3:1; M+1 proviene de $^{13}\text{C}$).
  • 23

    Energetica química

    Ver lección
    23.1

    Energía reticular y ciclos de Born–Haber

    Syllabus
    1. definir y utilizar los términos: (a) entalpía de atomización, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) energía reticular, $\Delta H_{\text{latt}}$ (el cambio de iones en fase gaseosa a red cristalina sólida)
    2. (a) definir y utilizar el término primera afinidad electrónica, EA (b) explicar los factores que afectan las afinidades electrónicas de los elementos (c) describir y explicar las tendencias en las afinidades electrónicas de los elementos del Grupo 16 y del Grupo 17
    3. construir y utilizar ciclos de Born–Haber para sólidos iónicos (limitado a cationes +1 y +2, aniones –1 y –2)
    4. realizar cálculos que involucren ciclos de Born–Haber
    5. explicar, en términos cualitativos, el efecto de la carga iónica y del radio iónico sobre la magnitud numérica de una energía reticular

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Estos ciclos utilizan varios cambios de entalpía 焓变 ($\Delta H$). Dos de ellos son nuevos:

    • el cambio de entalpía de atomización 原子化焓变, $\Delta H_{\text{at}}$ — la energía necesaria para formar un mol de átomos gaseosos a partir de un elemento. Siempre es positivo (se deben romper enlaces).
    • la energía reticular 晶格能, $\Delta H_{\text{latt}}$ — el cambio de energía cuando se forma un mol de una red iónica sólida a partir de sus iones gaseosos. Siempre es negativa (se forman enlaces fuertes).
    Cristales cúbicos transparentes de halita (sal de roca)
    Un sólido iónico como el cloruro de sodio es una red gigante y regular de iones; la energía reticular se libera cuando se forma

    Afinidad electrónica

    La primera afinidad electrónica 电子亲和能 (AE) es el cambio de energía cuando un mol de átomos gaseosos gana cada uno un electrón para formar un mol de iones $1-$. La primera AE suele ser negativa.

    Un átomo gaseoso gana un electrón para formar un ion 1-, liberando usualmente energía
    Un átomo gaseoso gana un electrón, usualmente liberando energía

    Los mismos factores que aplican a la energía de ionización lo hacen aquí (carga nuclear, radio atómico, apantallamiento). Al descender en el Grupo 16 o 17, la AE se vuelve menos exotérmica, porque el átomo es más grande y atrae al electrón extra con menos fuerza. (El elemento del extremo superior es una excepción: su átomo es tan pequeño que la repulsión entre electrones hace que su AE sea menos exotérmica que la del elemento inmediatamente inferior.)

    Ciclos de Born–Haber

    Un ciclo de Born–Haber 玻恩哈伯循环 es un ciclo energético que vincula el cambio de entalpía de formación de un sólido iónico con su atomización, energía de ionización, afinidad electrónica y energía reticular. Usando la ley de Hess, se recorre el ciclo para encontrar cualquier paso desconocido. (Solo se necesitan cationes $+1$ y $+2$ y aniones $-1$ y $-2$.)

    Diagrama de niveles de energía para el cloruro de sodio mostrando los pasos ascendentes (atomización, ionización), descendentes (afinidad electrónica, energía reticular) y la formación directa
    Un ciclo de Born–Haber para NaCl: subir cuesta energía (atomización, ionización); bajar la libera (afinidad electrónica y la gran energía reticular)

    Ejemplo resuelto. Encuentre la energía reticular del cloruro de sodio a partir de estos datos (kJ mol⁻¹): entalpía de formación $\Delta H_f = -411$; atomización $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ y $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; primera energía de ionización del Na $= +496$; afinidad electrónica del Cl $= -349$.

    Por la ley de Hess, la ruta de formación directa es igual a la ruta hacia arriba y alrededor del ciclo:

    $$\Delta H_f = \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}_1 + \text{EA} + \Delta H_{\text{latt}},$$

    por lo tanto $\Delta H_{\text{latt}} = -411 - (107 + 122 + 496 - 349) = -787\ \text{kJ mol}^{-1}.$

    ¿Qué controla el tamaño de la energía reticular?

    La energía reticular es más negativa (más fuerte) cuando:

    Iones más pequeños y cargas mayores dan una energía reticular más fuerte
    Iones más pequeños y cargas mayores dan una energía reticular más fuerte
    • la carga iónica es mayor (ej. $\text{Mg}^{2+}$ supera a $\text{Na}^+$).
    • el radio iónico es menor.

    Ambos factores aumentan la atracción entre los iones.

    Explorar

    El ciclo de Born–Haber

    La energía reticular no se puede medir directamente, por lo que se determina a partir de un ciclo de pasos medibles.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ 焓变 hán biàn
    enthalpy change of atomisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv əˌtɒmaɪˈzeɪʃn/ 原子化焓变 yuán zi huà hán biàn
    lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/ 晶格能 jīng gé néng
    electron affinity/ɪˈlektrɒn əˈfɪnɪti/ 电子亲和能 diàn zi qīn hé néng
    Born–Haber cycle/bɔːn ˈheɪbə ˈsaɪkl/ 玻恩哈伯循环 bō ēn hā bó xún huán
    enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/ 水合焓变 shuǐ hé hán biàn
    enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/ 溶解焓变 róng jiě hán biàn
    Ver lección
    23.2

    Entalpías de disolución e hidratación

    Syllabus
    1. definir y utilizar el término cambio de entalpía con referencia a la hidratación, $\Delta H_{\text{hyd}}$, y la disolución, $\Delta H_{\text{sol}}$
    2. construir y utilizar un ciclo energético que involucre el cambio de entalpía de disolución, la energía reticular y el cambio de entalpía de hidratación
    3. realizar cálculos relacionados con los ciclos energéticos descritos en 23.2.2
    4. explicar, en términos cualitativos, el efecto de la carga iónica y del radio iónico sobre la magnitud numérica de un cambio de entalpía de hidratación

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    • el cambio de entalpía de hidratación 水合焓变, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — el cambio de energía cuando un mol de iones gaseosos queda rodeado por agua para formar iones acuosos. Es exotérmico.
    • el cambio de entalpía de disolución 溶解焓变, $\Delta H_{\text{sol}}$ — el cambio de energía cuando un mol de soluto se disuelve completamente en agua.
    Una bolsa de frío instantánea
    Una bolsa de frío instantánea se siente fría porque su sal se disuelve endotérmicamente (un $\Delta H_\text{sol}$ positivo), impulsada por el aumento de entropía

    Un ciclo energético vincula los tres:

    $$\Delta H_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

    (Para disolver, primero se separa la red y luego se hidratan los iones.) Al igual que la energía reticular, $\Delta H_{\text{hyd}}$ es más exotérmico para iones con mayor carga y menor radio.

    Ciclo energético triangular que une el sólido iónico, los iones gaseosos y los iones acuosos mediante las entalpías reticular, de hidratación y de disolución
    Ciclo de disolución: separar la red (energía reticular inversa), luego hidratar los iones gaseosos, por lo tanto $\Delta H_\text{sol} = -\Delta H_\text{latt} + \Delta H_\text{hyd}$
    Explorar

    Laboratorio de entalpía de disolución

    deltaHsol = energía reticular + términos de hidratación

    Cambiar la fuerza de hidratación y ver el desplazamiento de la entalpía de disolución.

    23.3

    Cambio de entropía, ΔS

    Syllabus
    1. definir el término entropía, $S$, como el número de disposiciones posibles de las partículas y su energía en un sistema dado
    2. predecir y explicar el signo de los cambios de entropía que ocurren: (a) durante un cambio de estado, por ejemplo, fusión, ebullición y disolución (y sus inversos) (b) durante un cambio de temperatura (c) durante una reacción en la que hay un cambio en el número de moléculas gaseosas
    3. calcular el cambio de entropía para una reacción, $\Delta S$, dadas las entropías estándar, $S^\ominus$, de los reactivos y productos, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (no se requiere el uso de $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La entropía 熵 ($S$) mide el número de formas en que las partículas y su energía pueden organizarse en un sistema. Más formas significan más "desorden".

    Tres cajas de partículas: una rejilla sólida ordenada, un líquido agrupado y un gas disperso, con flechas indicando el aumento de entropía
    La entropía aumenta de sólido a líquido a gas a medida que las partículas se distribuyen en más arreglos, por lo tanto $\Delta S$ es positivo

    El cambio de entropía 熵变 ($\Delta S$) es positivo cuando aumenta el desorden, y negativo cuando disminuye:

    Cambio Signo de $\Delta S$
    sólido → líquido → gas (fusión, ebullición) o disolución positivo
    un aumento de temperatura positivo
    una reacción que produce más moléculas de gas positivo
    una reacción que produce menos moléculas de gas negativo

    Se puede calcular a partir de las entropías estándar:

    $$\Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{products}) - \sum S^{\ominus}(\text{reactants})$$
    Explorar

    Laboratorio de cambio de entropía

    deltaS = desorden de productos - desorden de reactivos

    Aumenta el desorden y observa cómo el cambio de entropía se vuelve más positivo.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    entropy/ˈentrəpi/ 熵 shāng
    entropy change/ˈentrəpi tʃeɪndʒ/ 熵变 shāng biàn
    Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ 吉布斯自由能 jí bù sī zì yóu néng
    23.4

    Cambio de energía libre de Gibbs, ΔG

    Syllabus
    1. enunciar y utilizar la ecuación de Gibbs $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
    2. realizar cálculos utilizando la ecuación $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
    3. determinar si una reacción o proceso será factible mediante el signo de $\Delta G$
    4. predecir el efecto del cambio de temperatura sobre la factibilidad de una reacción, dados los cambios estándar de entalpía y entropía

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El cambio de energía libre de Gibbs 吉布斯自由能 decide si una reacción puede ocurrir espontáneamente:

    $$\Delta G^{\ominus} = \Delta H^{\ominus} - T\Delta S^{\ominus}$$

    Aquí $T$ es la temperatura en kelvin. Una reacción es factible (puede ocurrir) cuando $\Delta G$ es negativo o cero. Por lo tanto, la factibilidad 可行性 depende de la temperatura:

    $\Delta H$ $\Delta S$ Cuándo es factible
    negativo positivo a todas las temperaturas
    positivo positivo solo a alta temperatura
    negativo negativo solo a baja temperatura
    positivo negativo nunca
    Cuadrícula de dos por dos con los signos del cambio de entalpía y del cambio de entropía, indicando cuándo es factible la reacción en cada celda
    Si una reacción es factible ($\Delta G \leq 0$) depende de los signos de $\Delta H$ y $\Delta S$, y a veces de la temperatura

    Para encontrar la temperatura de transición, iguale $\Delta G = 0$, lo que da $T = \Delta H / \Delta S$.

    Ejemplo resuelto. Una reacción tiene $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ y $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Encuentre $\Delta G$ a $298\ \text{K}$ y la temperatura por encima de la cual la reacción se vuelve factible.

    Primero igualar las unidades: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Entonces

    $$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$

    Al igualar $\Delta G = 0$, se obtiene $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, por lo que la reacción es factible por encima de $600\ \text{K}$.

    Explorar

    Laboratorio de energía libre de Gibbs

    deltaG = deltaH - T deltaS

    Mueve la temperatura y observa cuándo deltaG se vuelve negativo.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ 可行性 kě xíng xìng
    23.4

    Consejos para el examen

    • En un ciclo de Born–Haber, asegúrese de obtener correctamente la dirección y el signo de cada paso (atomización, ionización $+$; afinidad electrónica, formación de red $-$) y aplique la ley de Hess alrededor del mismo.
    • La energía reticular es más exotérmica para iones más pequeños y con mayor carga (mayor densidad de carga).
    • Prediga el signo de $\Delta S$ a partir de los cambios de estado (más moles de gas = más desorden).
    • Use $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; es factible cuando $\Delta G \le 0$ — convierta $\Delta S$ de $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
  • 24

    Electroquímica

    Ver lección
    24.1

    Electrólisis

    Syllabus
    1. predecir las identidades de las sustancias liberadas durante la electrólisis a partir del estado del electrolito (fundido o acuoso), su posición en la serie redox (potencial electrodo) y su concentración
    2. enunciado y aplicación de la relación $F = Le$ entre la constante de Faraday, $F$, la constante de Avogadro, $L$, y la carga del electrón, $e$
    3. calcular: (a) la cantidad de carga que pasa durante la electrólisis, usando $Q = It$; (b) la masa y/o el volumen de sustancia liberada durante la electrólisis
    4. describir la determinación de un valor de la constante de Avogadro mediante un método electrolítico

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Electrolisis: los iones se descargan en los electrodos

    Electrolisis 电解 usa electricidad para descomponer un electrolito 电解质 fundido o acuoso. Los iones positivos se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos se mueven hacia el electrodo positivo.

    En cada electrodo 电极 ocurre una semirreacción:

    • en el cátodo 阴极 (negativo): los iones positivos ganan electrones (reducción).
    • en el ánodo 阳极 (positivo): los iones negativos pierden electrones (oxidación).
    Una celda de electrólisis: un suministro de CC conectado a dos electrodos en un electrolito, con iones positivos moviéndose hacia el cátodo y iones negativos hacia el ánodo
    Electrolisis: la fuente de corriente continua impulsa los iones positivos al cátodo (reducción) y los iones negativos al ánodo (oxidación)
    Un voltámetro de Hofmann de vidrio en un soporte, cableado a una fuente de alimentación, con un tubo de recogida de gas en cada lado
    Un voltámetro de Hofmann para la electrólisis del agua: la fuente de alimentación impulsa la corriente a través de dos electrodos, y el gas producido en cada uno se recolecta en su tubo lateral

    Predicción de productos

    • un electrolito fundido produce el metal en el cátodo y el no metal en el ánodo.
    • un electrolito acuoso también contiene agua. En el cátodo, se libera un metal menos reactivo, pero para un metal reactivo se obtiene hidrógeno en su lugar. En el ánodo generalmente se obtiene oxígeno, pero una solución concentrada de haluro produce el halógeno.
    Un electrolito fundido da el metal y el no metal; uno acuoso también contiene agua
    Un electrolito fundido produce metal y no metal; el acuoso también contiene agua

    Cálculos

    La carga de un mol de electrones es la constante de Faraday 法拉第常量, relacionada con la constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量 ($L$) y la carga de un electrón ($e$) mediante $F = Le$.

    La carga que pasa es $Q = It$ (corriente $\times$ tiempo). Luego:

    1. moles de electrones $= Q / F$.
    2. use la semiecuación para encontrar los moles de producto.
    3. encuentre la masa ($\times M_r$) o el volumen del gas.

    Medir la masa depositada para una carga conocida permite calcular hacia atrás un valor de la constante de Avogadro.

    Ejemplo resuelto. Una corriente de $2.0\ \text{A}$ fluye durante $30$ minutos a través de una solución de sulfato de cobre(II), depositando cobre en el cátodo: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Encuentre la masa de cobre depositado. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

    Carga que pasa: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles de electrones $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. De la semiecuación, $2\ \text{mol}$ de electrones dan $1\ \text{mol}$ de Cu, por lo tanto $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ y

    $$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
    A barrel-plating machine electroplating small parts
    La electrólisis se utiliza para galvanoplastear un objeto con una capa delgada y brillante de metal como el cromo
    Explorar

    Primera ley de Faraday

    m = k·Q

    La masa depositada es proporcional a la carga que pasa (ley de Faraday).

    Explorar

    Dentro de una celda de electrólisis

    Elige un electrolito y observa cómo se mueven los iones: cationes al cátodo, aniones al ánodo, donde se descargan.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 电解 diàn jiě
    electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ 电解质 diàn jiě zhì
    electrode/ɪˈlektrəʊd/ 电极 diàn jí
    cathode/ˈkæθəʊd/ 阴极 yīn jí
    anode/ˈænəʊd/ 阳极 yáng jí
    Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ 法拉第常量 fǎ lā dì cháng liàng
    Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 阿伏伽德罗常量 ā fú gā dé luó cháng liàng
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    24.2

    Potenciales estándar de electrodo y potenciales de pila

    Syllabus
    1. definir los términos: (a) potencial estándar de electrodo (de reducción) (b) potencial estándar de celda
    2. describir el electrodo estándar de hidrógeno
    3. describir los métodos utilizados para medir los potenciales estándar de electrodo de: (a) metales o no metales en contacto con sus iones en solución acuosa (b) iones del mismo elemento en diferentes estados de oxidación
    4. calcular un potencial estándar de celda combinando dos potenciales estándar de electrodo
    5. utilizar los potenciales estándar de celda para: (a) deducir la polaridad de cada electrodo y, por tanto, explicar/deducir la dirección del flujo de electrones en el circuito externo de una celda simple (b) predecir la viabilidad de una reacción
    6. deducir a partir de los valores de $E^{\ominus}$ la reactividad relativa de elementos, compuestos e iones como agentes oxidantes o como agentes reductores
    7. construir ecuaciones redox utilizando las semiecuaciones correspondientes
    8. predecir cualitativamente cómo varía el valor de un potencial de electrodo, $E$, con las concentraciones de los iones acuosos
    9. utilizar la ecuación de Nernst, por ejemplo, $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, para predecir cuantitativamente cómo varía el valor de un potencial de electrodo con las concentraciones de los iones acuosos; los ejemplos incluyen $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
    10. comprender y utilizar la ecuación $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El potencial de electrodo 电极电势 ($E$) de una semicelda muestra qué tan fácilmente se reduce. Se mide contra una referencia, bajo condiciones estándar, para obtener el potencial estándar de electrodo 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), siempre escrito como reducción.

    La referencia es el electrodo estándar de hidrógeno 标准氢电极: gas de hidrógeno a $1\ \text{atm}$ sobre platino en $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, definido exactamente como $0.00\ \text{V}$.

    Gas de hidrógeno burbujeando sobre un electrodo de platino en ácido dentro de un tubo de vidrio, toda la celda etiquetada como 0.00 voltios
    El electrodo estándar de hidrógeno: H$_2$ at 1 atm over platinum in 1 mol dm$^{-3}$ H$^+$, the $0.00$ V referencia para cada potencial de electrodo

    Para medir un $E^{\ominus}$, conecte la semicelda al electrodo estándar de hidrógeno y lea el voltaje. Un metal está en una solución de sus iones; para dos iones del mismo elemento (como $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), un electrodo de platino se sumerge en una solución que contiene ambos.

    Combinación de semiceldas

    El potencial estándar de pila 标准电池电势 es la diferencia entre los dos potenciales estándar de electrodo:

    $$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
    Una semicelda de zinc y una semicelda de cobre unidas por un puente salino y un voltímetro, con electrones fluyendo desde el zinc hacia el cobre a través del cable
    Una pila simple: dos semiceldas unidas por un puente salino, con un voltímetro. Los electrones fluyen desde el electrodo negativo (Zn) al electrodo positivo (Cu)

    Ejemplo resuelto. Calcule el potencial estándar de celda de una celda construida a partir del $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ semicelula ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) y la $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ semicelula ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

    $$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

    A partir de los valores de $E^{\ominus}$ puede:

    • encontrar la polaridad: el electrodo más negativo es el terminal negativo, y los electrones fluyen desde él a través del circuito externo hacia el electrodo positivo.
    • juzgar la reactividad: un $E^{\ominus}$ más positivo indica un mejor agente oxidante 氧化剂 (se reduce fácilmente); un $E^{\ominus}$ más negativo indica un mejor agente reductor 还原剂.
    Una escala vertical de potenciales estándar de electrodo desde flúor en la parte superior hasta sodio en la inferior, con flechas para agente oxidante más fuerte arriba y agente reductor más fuerte abajo
    La serie electroquímica: un $E^{\ominus}$ más positivo (arriba) es un agente oxidante más fuerte; un $E^{\ominus}$ más negativo (abajo) es un agente reductor más fuerte

    Factibilidad y ecuaciones redox

    Una reacción es factible cuando $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ es positivo. Para construir la ecuación completa, toma las dos ecuaciones semirreacción 半反应方程式, invierte la que se oxida y súmalas de modo que los electrones se cancelen. Esta prueba $E^{\ominus}$ determina la factibilidad 可行性 de la reacción.

    También puedes relacionarlo con la energía libre: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, donde $n$ es el número de moles de electrones.

    La ecuación de Nernst

    Si las concentraciones no son estándar, el potencial del electrodo cambia. Aumentar la concentración de la especie oxidada hace que $E$ sea más positivo. La ecuación de Nernst 能斯特方程 proporciona el valor exacto:

    $$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

    donde $z$ es el número de electrones en la semirreacción.

    Explorar

    Laboratorio de potencial de electrodo

    Ecel = Ederecho - Eizquierdo

    Cambiar el potencial de celda y ver aumentar el poder oxidante.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ 电极电势 diàn jí diàn shì
    standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ 标准电极电势 biāo zhǔn diàn jí diàn shì
    standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/ 标准氢电极 biāo zhǔn qīng diàn jí
    standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/ 标准电池电势 biāo zhǔn diàn chí diàn shì
    oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 氧化剂 yǎng huà jì
    reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 还原剂 huán yuán jì
    half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ 半反应方程式 bàn fǎn yìng fāng chéng shì
    feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ 可行性 kě xíng xìng
    Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ 能斯特方程 néng sī tè fāng chéng
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    24.2

    Consejos para el examen

    • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; un valor positivo de $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ indica que la reacción es viable.
    • Condiciones estándar para $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, electrodo de platino — indícalas si se te piden.
    • Un potencial de electrodo más negativo significa un agente reductor más fuerte; utiliza la serie para predecir la dirección.
    • Para cantidades en electrólisis utiliza $Q = It$ y moles de electrones $= Q/F$.
  • 25

    Equilibrios

    Ver lección
    25.1

    Ácidos y bases conjugados

    Syllabus
    1. comprender y utilizar los términos ácido conjugado y base conjugada
    2. definir pares de ácido-base conjugados, identificando tales pares en reacciones
    3. definir matemáticamente los términos pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ y $K_w$ y utilizarlos en cálculos ($K_b$ y la ecuación $K_w = K_a \times K_b$ no se evaluarán)
    4. calcular $[\text{H}^+(\text{aq})]$ y valores de pH para: (a) ácidos fuertes (b) bases fuertes (c) ácidos débiles
    5. (a) definir una solución tampón (b) explicar cómo se puede preparar una solución tampón (c) explicar cómo las soluciones tampón controlan el pH; utilizar ecuaciones químicas en estas explicaciones (d) describir y explicar los usos de las soluciones tampón, incluido el papel del $\text{HCO}_3^-$ en el control del pH en la sangre
    6. calcular el pH de soluciones tampón, dados los datos apropiados
    7. comprender y utilizar el término producto de solubilidad, $K_{\text{sp}}$
    8. escribir una expresión para $K_{\text{sp}}$
    9. calcular $K_{\text{sp}}$ a partir de concentraciones y viceversa
    10. (a) comprender y utilizar el efecto del ion común para explicar la diferente solubilidad de un compuesto en una solución que contiene un ion común (b) realizar cálculos utilizando valores de $K_{\text{sp}}$ y concentración de un ion común

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Curva de titulación y punto de equivalencia

    Cuando un ácido de Brønsted pierde un $\text{H}^+$, lo que queda es su base conjugada. Cuando una base gana un $\text{H}^+$, se convierte en su ácido conjugado. Las dos especies que difieren solo por un $\text{H}^+$ forman un par ácido-base conjugado.

    Por ejemplo, en $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$, el par está formado por $\text{CH}_3\text{COOH}$ (ácido) y $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (su base conjugada).

    Ácido etanoico perdiendo un protón para formar su base conjugada, y amoníaco ganando un protón para formar su ácido conjugado, con el par conjugado entre corchetes
    Los pares conjugados difieren en un protón: un ácido pierde H$^+$ to give its conjugate base; a base gains H$^+$ para dar su ácido conjugado
    Explorar

    pH y concentración de H⁺

    pH = −log[H⁺]: deslízalo para ver cómo [H⁺] cambia en un factor de diez por unidad. Un par ácido-base conjugado difiere en un solo protón.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/ 共轭碱 gòng è jiǎn
    conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/ 共轭酸 gòng è suān
    conjugate acid–base pair/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd beɪs peə/ 共轭酸碱对 gòng è suān jiǎn duì
    acid dissociation constant/ˈæsɪd dɪˌsəʊsɪˈeɪʃn ˈkɒnstənt/ 酸解离常数 suān jiě lí cháng shù
    ionic product of water/aɪˈɒnɪk ˈprɒdʌkt ɒv ˈwɔːtə/ 水的离子积 shuǐ de lí zi jī
    strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 强酸 qiáng suān
    strong alkali/strɒŋ ˈælkəlaɪ/ 强碱 qiáng jiǎn
    weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 弱酸 ruò suān
    buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/ 缓冲溶液 huǎn chōng róng yè
    solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/ 溶度积 róng dù jī
    common ion effect/ˈkɒmən ˈaɪɒn ɪˈfekt/ 同离子效应 tóng lí zi xiào yìng
    partition coefficient/pɑːˈtɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 分配系数 fēn pèi xì shù
    25.1

    pH y las constantes de equilibrio

    • pH: mide la acidez. $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, por lo tanto $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
    • La constante de disociación ácida de un ácido débil $\text{HA}$ es $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, y $\text{p}K_a = -\log K_a$. Un valor mayor de $K_a$ (menor $\text{p}K_a$) indica un ácido más fuerte.
    • El producto iónico del agua es $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ a $298\ \text{K}$.
    La escala de pH va desde lo ácido hasta lo neutro y luego hasta lo alcalino, con pH = -log de la concentración de iones de hidrógeno
    La escala de pH: pH = -log de la concentración de iones de hidrógeno
    Tiras de papel pH junto a una carta de colores
    El papel pH estima el pH de una solución según el color que adopta

    Cálculo del pH

    • Ácido fuerte: se ioniza completamente, por lo que $[\text{H}^+]$ es igual a la concentración del ácido; luego se calcula $-\log$.
    • Base fuerte: se obtiene $[\text{OH}^-]$ a partir de la concentración, y luego se usa $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
    • Ácido débil: solo se ioniza parcialmente, por lo que se usa $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

    Ejemplo resuelto. Calcule el pH de $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ de ácido clorhídrico (un ácido fuerte).

    Se ioniza completamente, así que $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, lo que da $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

    Ejemplo resuelto. Calcule el pH de $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ de hidróxido de sodio (una base fuerte). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

    $[\text{OH}^-] = 0.10$, por lo tanto $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, lo que da $\text{pH} = 13.0$.

    Ejemplo resuelto. Calcule el pH de $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ de ácido etanoico (un ácido débil). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

    $$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$
    25.1

    Soluciones amortiguadoras

    Una solución amortiguadora resiste los cambios de pH cuando se añade una pequeña cantidad de ácido o base. Se prepara a partir de un ácido débil y su base conjugada (por ejemplo, ácido etanoico y etanoato sódico).

    Funciona porque la mezcla contiene reservas de ambos componentes:

    • Los $\text{H}^+$ añadidos son removidos por la base conjugada: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
    • Los $\text{OH}^-$ añadidos son removidos por el ácido débil: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.
    Almacén amortiguador de HA y A-, con H+ añadido removido por A- y OH- añadido removido por HA
    Un amortiguador mantiene reservas de un ácido débil y su base conjugada: el H$^+$ is mopped up by A$^-$ and added OH$^-$ añadido por HA, por lo que el pH apenas cambia

    Para encontrar el pH, sustituya las concentraciones del ácido y su sal en la expresión de $K_a$. Los amortiguadores son importantes en los seres vivos —por ejemplo, $\text{HCO}_3^-$ mantiene el pH de la sangre cerca de $7.4$.

    Explorar

    Buffers y la curva de titulación

    Añade álcali al ácido: la parte plana es donde un buffer resiste el cambio de pH, y el salto empinado es el punto de equivalencia.

    25.1

    Producto de solubilidad

    Para una sal que se disuelve muy poco, el producto de solubilidad ($K_{\text{sp}}$) es el producto de las concentraciones de los iones en una solución saturada, cada uno elevado a la potencia correspondiente a su número en la fórmula:

    $$K_{\text{sp}} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] \qquad K_{\text{sp}} = [\text{Ca}^{2+}][\text{F}^-]^2$$

    Puede calcular $K_{\text{sp}}$ a partir de la solubilidad, o la solubilidad a partir de $K_{\text{sp}}$.

    Estalactitas colgando del techo de una cueva
    Las estalactitas crecen a medida que el carbonato cálcico disuelto vuelve lentamente a salir de la solución — un verdadero equilibrio de solubilidad

    Efecto del ion común

    El efecto del ion común es la forma en que una sal se vuelve menos soluble en una solución que ya contiene uno de sus propios iones. El ion adicional desplaza el equilibrio de disolución hacia atrás (Le Chatelier), por lo que se disuelve menos sal. Puede calcular la nueva solubilidad usando $K_{\text{sp}}$ y la concentración del ion común.

    Explorar

    Laboratorio de producto de solubilidad

    producto iónico comparado con Ksp

    Aumentar la concentración iónica y ver cuándo se vuelve probable la precipitación.

    25.2

    Coeficientes de partición

    Syllabus
    1. exponga lo que se entiende por el término coeficiente de partición, $K_{\text{pc}}$
    2. calcule y utilice un coeficiente de partición para un sistema en el que el soluto se encuentra en el mismo estado físico en los dos disolventes
    3. comprenda los factores que afectan al valor numérico de un coeficiente de partición en términos de las polaridades del soluto y de los disolventes utilizados

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Cuando un soluto se agita con dos disolventes que no se mezclan, se distribuye entre ellos. El coeficiente de partición ($K_{\text{pc}}$) es la relación de sus concentraciones en las dos capas (a temperatura constante):

    $$K_{\text{pc}} = \frac{[\text{solute in solvent 1}]}{[\text{solute in solvent 2}]}$$

    Esto aplica cuando el soluto tiene el mismo estado físico en ambos disolventes. El valor depende de la polaridad del soluto y de cada disolvente: un soluto no polar se disuelve más en el disolvente no polar, mientras que un soluto polar prefiere el disolvente polar.

    Dos capas de disolventes inmiscibles con un soluto distribuido entre ellas, más en la capa superior no polar que en el agua inferior
    Un soluto agitado con dos disolventes inmiscibles se distribuye entre ellos; el coeficiente de partición es la relación de sus concentraciones en las dos capas
    Explorar

    Laboratorio de coeficiente de partición

    Kpc = concentración orgánica / concentración acuosa

    Cambie la concentración en la capa orgánica y observe la razón de partición.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 极性 jí xìng
    solvent/ˈsɒlvənt/ 溶剂 róng jì
    25.2

    Consejos para el examen

    • $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; para un ácido fuerte $[\text{H}^+]$ = concentración, para un ácido débil use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
    • Para una base, obtenga $[\text{H}^+]$ de $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
    • Para un amortiguador, use $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ y explique cómo elimina el $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$ añadido.
    • Escriba la expresión de $K_{sp}$ con los exponentes correctos; el número de decimales en un pH equivale a las cifras significativas de $[\text{H}^+]$.
  • 26

    Cinética de las reacciones

    Ver lección
    26.1

    Ecuaciones de velocidad y órdenes

    Syllabus
    1. explicar y utilizar los términos ecuación de velocidad, orden de reacción, orden global de la reacción, constante de velocidad, vida media, etapa determinante de la velocidad e intermedio
    2. (a) comprender y utilizar ecuaciones de velocidad de la forma $\text{rate} = k [\text{A}]^m[\text{B}]^n$ (para las cuales $m$ y $n$ son 0, 1 o 2) (b) deducir el orden de una reacción a partir de gráficas concentración-tiempo o de datos experimentales relativos al método de velocidades iniciales y al método de la vida media (c) interpretar datos experimentales en forma gráfica, incluidas las gráficas concentración-tiempo y velocidad-concentración (d) calcular una velocidad inicial utilizando datos de concentración (e) construir una ecuación de velocidad
    3. (a) demostrar comprensión de que la vida media de una reacción de primer orden es independiente de la concentración (b) utilizar la vida media de una reacción de primer orden en cálculos
    4. calcular el valor numérico de una constante de velocidad, por ejemplo mediante: (a) el uso de las velocidades iniciales y la ecuación de velocidad (b) el uso de la vida media, $t_{\frac{1}{2}}$, y la ecuación $k = 0.693/t_{\frac{1}{2}}$
    5. para una reacción multietapa: (a) proponer un mecanismo de reacción coherente con la ecuación de velocidad y la ecuación de la reacción global (b) predecir el orden que resultaría de un determinado mecanismo de reacción y etapa determinante de la velocidad (c) deducir una ecuación de velocidad utilizando un determinado mecanismo de reacción y etapa determinante de la velocidad para una reacción dada (d) identificar un intermedio o catalizador a partir de un determinado mecanismo de reacción (e) identificar la etapa determinante de la velocidad a partir de una ecuación de velocidad y un determinado mecanismo de reacción
    6. describir cualitativamente el efecto del cambio de temperatura sobre la constante de velocidad y, por tanto, sobre la velocidad de una reacción

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Una ecuación de velocidad 速率方程 muestra cómo la velocidad depende de las concentraciones de los reactivos:

    $$\text{rate} = k\,[\text{A}]^m[\text{B}]^n$$
    • $m$ es el orden de reacción 反应级数 con respecto a A, y $n$ el orden con respecto a B. Cada uno puede ser $0$, $1$ o $2$.
    • el orden global de la reacción 总反应级数 es $m + n$.
    • $k$ es la constante de velocidad 速率常数. La ecuación de velocidad solo se puede determinar experimentalmente, no a partir de la ecuación balanceada.
    A glass gas syringe
    Una jeringa de gas mide el volumen de gas producido con el tiempo, lo que proporciona la velocidad de reacción

    Determinación del orden

    • método de velocidades iniciales: cambia una concentración a la vez y observa cómo cambia la velocidad inicial. Si al duplicar $[\text{A}]$ se duplica la velocidad, el orden en A es 1; si la velocidad se cuadruplica, el orden es 2; si la velocidad no cambia, el orden es 0.

    Ejemplo resuelto. En experimentos sobre $\text{A} + \text{B} \rightarrow$ productos, al duplicar $[\text{A}]$ (con $[\text{B}]$ fijo) se duplica la velocidad, y al duplicar $[\text{B}]$ (con $[\text{A}]$ fijo) se cuadruplica la velocidad. Escribe la ecuación de velocidad y da el orden global.

    Al duplicar $[\text{A}]$ se duplica la velocidad, por lo tanto primer orden en A. Al duplicar $[\text{B}]$ se cuadruplica ($2^2$) la velocidad, por lo tanto segundo orden en B. Por consiguiente

    $$\text{rate} = k[\text{A}][\text{B}]^2, \qquad \text{overall order} = 1 + 2 = 3.$$
    • gráficas: una gráfica de concentración–tiempo para una reacción de primer orden tiene una semivida 半衰期 constante (el tiempo para que la concentración se reduzca a la mitad). Una gráfica de velocidad–concentración es una línea recta que pasa por el origen para el primer orden, y una curva para el segundo orden.
    Tres líneas de velocidad frente a concentración: una línea plana para orden cero, una línea recta que pasa por el origen para primer orden, y una curva ascendente para segundo orden
    Velocidad frente a concentración: orden cero es una línea horizontal, primer orden una línea recta que pasa por el origen, segundo orden una curva ascendente

    Semivida y constante de velocidad

    Para una reacción de primer orden, la semivida es constante — no depende de la concentración. Puedes encontrar la constante de velocidad a partir de ella:

    $$k = \frac{0.693}{t_{\frac{1}{2}}}$$
    Una curva de decaimiento concentración-tiempo con tres intervalos de vida media iguales marcados, la concentración se reduce a la mitad cada vez
    Una reacción de primer orden tiene una semivida constante: la concentración se reduce a la mitad en el mismo intervalo de tiempo $t_{1/2}$ una y otra vez, independientemente del valor inicial

    Ejemplo resuelto. Una reacción de primer orden tiene una semivida de $120\ \text{s}$. Encuentra su constante de velocidad.

    $$k = \frac{0.693}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{120} = 5.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}.$$

    También puedes encontrar $k$ introduciendo datos de velocidad inicial en la ecuación de velocidad.

    Explorar

    Ecuaciones de velocidad y órdenes

    [A] = [A]₀·bᵗ

    Una reacción de primer orden decae exponencialmente — tiene semividas iguales.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    rate equation/reɪt ɪˈkweɪʒn/ 速率方程 sù lǜ fāng chéng
    order of reaction/ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/ 反应级数 fǎn yìng jí shù
    overall order of reaction/ˌəʊvəˈrɔːl ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/ 总反应级数 zǒng fǎn yìng jí shù
    rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/ 速率常数 sù lǜ cháng shù
    half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī
    26.1

    Mecanismos de reacción

    La mayoría de las reacciones ocurren en varios pasos. El paso más lento es el paso determinante de la velocidad 决速步骤, y controla la velocidad global. Solo las especies involucradas hasta e incluyendo este paso aparecen en la ecuación de velocidad.

    Un perfil de energía de reacción con dos jorobas: una primera barrera alta marcada como el paso determinante lento de la velocidad, un valle para el intermediario, luego una segunda barrera más pequeña
    Un perfil de dos pasos: el paso más lento tiene la barrera mayor y es determinante de la velocidad; el valle entre las dos barreras es un intermediario
    • un intermediario 中间体 es una especie que se forma en un paso y luego se consume en un paso posterior. No aparece en la ecuación global.
    • puedes proponer un mecanismo que se ajuste tanto a la ecuación de velocidad como a la ecuación global, predecir el orden a partir de un mecanismo dado, o identificar el paso determinante de la velocidad.

    Si comparas la velocidad inicial 初始速率 de diferentes mezclas, puedes deducir la ecuación de velocidad y, a partir de ella, establecer el mecanismo.

    Efecto de la temperatura

    Aumentar la temperatura incrementa la constante de velocidad $k$ (más moléculas superan la energía de activación), por lo que la velocidad aumenta.

    Explorar

    Ruta de mecanismo orgánico

    Rastrear el movimiento del par de electrones desde el reactivo hasta el producto.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/ 决速步骤 jué sù bù zhòu
    intermediate/ˌɪntəˈmiːdɪət/ 中间体 zhōng jiān tǐ
    initial rate/ɪˈnɪʃl reɪt/ 初始速率 chū shǐ sù lǜ
    26.2

    Catalizadores

    Syllabus
    1. explicar que los catalizadores pueden ser homogéneos o heterogéneos
    2. describir el modo de acción de un catalizador heterogéneo, lo que incluye la adsorción de reactivos, el debilitamiento de enlaces y la desorción de productos, por ejemplo: (a) hierro en el proceso Haber (b) paladio, platino y rodio en la eliminación catalítica de óxidos de nitrógeno de los gases de escape de los motores de automóviles
    3. describir el modo de acción de un catalizador homogéneo al ser utilizado en una etapa y regenerado en una etapa posterior, por ejemplo: (a) óxidos de nitrógeno atmosféricos en la oxidación del dióxido de azufre atmosférico (b) $\text{Fe}^{2+}$ o $\text{Fe}^{3+}$ en la reacción entre $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los catalizadores 催化剂 pueden ser homogéneos o heterogéneos.

    Catalizadores heterogéneos

    Un catalizador heterogéneo 多相催化剂 está en un estado físico diferente al de los reactivos (generalmente un sólido con gases). Funciona en tres etapas:

    1. adsorción 吸附: las moléculas de reactivo se adhieren a la superficie del catalizador.
    2. los enlaces en los reactivos se debilitan, por lo que reaccionan más fácilmente.
    3. desorción 脱附: las moléculas de producto abandonan la superficie.
    Tres etapas en la superficie de un catalizador: dos átomos de reactivo adsorbándose en él, reaccionando con enlaces debilitados, luego el producto desorbiéndose
    Un catalizador heterogéneo funciona en tres etapas: los reactivos se adsorben en la superficie, sus enlaces debilitados les permiten reaccionar, y luego el producto se desorbe
    Una bandeja que contiene muchas pequeñas piezas de cerámica catalítica en diferentes formas: cilindros sólidos, anillos, varillas acanaladas y discos con agujeros
    Los catalizadores heterogéneos reales se fabrican como pequeños pellets, anillos y discos perforados, lo que ofrece una gran superficie para que los reactivos se adhieran

    Ejemplos son el hierro en el proceso Haber, y el platino, paladio y rodio en un convertidor catalítico.

    Catalizadores homogéneos

    Un catalizador homogéneo 均相催化剂 está en el mismo estado físico que los reactivos. Se consume en un paso y luego se regenera en un paso posterior, por lo que vuelve sin cambios. Ejemplos son los óxidos de nitrógeno ayudando a oxidar el dióxido de azufre atmosférico, y $\text{Fe}^{2+}$ o $\text{Fe}^{3+}$ acelerando la reacción entre $\text{I}^-$ y $\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$.

    Explorar

    Cómo un catalizador acelera una reacción

    Activa el catalizador y observa cómo aumenta la velocidad: proporciona más colisiones efectivas por segundo al ofrecer un camino de menor energía.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
    heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/ 多相催化剂 duō xiāng cuī huà jì
    adsorption/ədˈsɔːpʃn/ 吸附 xī fù
    desorption/dɪˈsɔːpʃn/ 脱附 tuō fù
    homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/ 均相催化剂 jūn xiāng cuī huà jì
    26.2

    Consejos para el examen

    • Encuentra los órdenes a partir de datos de velocidad inicial: duplicar una concentración que duplica la velocidad es primer orden, la cuadruplica es segundo orden, y si no hay cambio es orden cero.
    • Escribe $\text{rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ y calcula las unidades de $k$ a partir de ella.
    • El paso determinante de la velocidad contiene las especies (y órdenes) de la ecuación de velocidad — usa esto para verificar un mecanismo.
    • Una semivida constante indica un primer orden.
  • 27

    Grupo 2

    Ver lección
    27.1

    Estabilidad térmica de los nitratos y carbonatos

    Syllabus
    1. Describir y explicar cualitativamente la tendencia en la estabilidad térmica de los nitratos y carbonatos, incluyendo el efecto del radio iónico sobre la polarización del anión grande
    2. Describir y explicar cualitativamente la variación en la solubilidad y del cambio de entalpía de disolución, $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$, de los hidróxidos y sulfatos en términos de las magnitudes relativas de la entalpía de hidratación y la energía reticular

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La estabilidad térmica 热稳定性 de los nitratos 硝酸盐 y carbonatos 碳酸tos del Grupo 2 aumenta al descender por el grupo. Esta es la razón, en términos de cómo los iones se afectan entre sí.

    A rotary kiln at a lime works
    Calentar piedra caliza (carbonato de calcio) en un horno lo descompone en óxido de calcio — una descomposición térmica

    Un catión 阳离子 pequeño con un radio iónico pequeño tiene una alta densidad de carga. Atrae los electrones del anión cercano y distorsiona su forma; esto es polarización 极化. Distorsionar el gran anión 阴离子 (el ion carbonato o nitrato) debilita un enlace dentro de él, por lo que el compuesto se descompone con mayor facilidad.

    Al descender por el grupo, el catión se hace más grande. Su densidad de carga disminuye, por lo que polariza al anión menos. El anión se distorsiona menos, por lo que el compuesto es más difícil de descomponer: es más estable térmicamente y necesita una temperatura más alta para descomponerse.

    Dos escenarios: un catión de magnesio pequeño distorsiona fuertemente la nube electrónica del anión carbonato dándole forma de lágrima, mientras que un catión de bario grande apenas lo distorsiona
    Un catión pequeño tiene una alta densidad de carga, por lo que distorsiona (polariza) más al anión grande — debilitándolo, por lo que el compuesto es menos estable

    Ejemplo resuelto. Al descender por el Grupo 2, las hidróxidos se vuelven más solubles mientras que los sulfatos se vuelven menos solubles. Explique por qué estas dos tendencias van en direcciones opuestas. La solubilidad es una competencia entre la energía reticular que mantiene unido al sólido y la energía de hidratación que recompensa a los iones al disolverse. Ambas se vuelven menos exotérmicas a medida que crece el catión, por lo que cualquiera que caiga más rápido determina la tendencia. Con el ion pequeño de hidróxido, la energía reticular depende fuertemente del tamaño del catión, por lo que cae más rápido que la energía de hidratación: la red se vuelve relativamente más fácil de romper y la solubilidad aumenta. Con el ion grande de sulfato, la energía reticular ya está dominada por ese anión grande y apenas cambia al descender por el grupo, mientras que la energía de hidratación del catión sigue descendiendo: por lo tanto, la solubilidad disminuye. Nombre ambas energías y diga cuál cae más rápido; simplemente repetir las tendencias no otorga puntos de explicación.

    Explorar

    Escala de estabilidad térmica del Grupo 2

    Descender por el Grupo 2 y ver por qué las carbonatos se vuelven más difíciles de descomponer.

    Explorar

    Laboratorio de solubilidad del Grupo 2

    Clasificar los compuestos del Grupo 2 según la tendencia de solubilidad.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ 极化 jí huà
    anion/ˈænaɪən/ 阴离子 yīn lí zi
    enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/ 溶解焓变 róng jiě hán biàn
    27.1

    Solubilidad de los hidróxidos y sulfatos

    Cuando un sólido iónico se disuelve, compiten dos cambios de energía. El cambio de entalpía de solución 溶解焓变 es la suma de ellos:

    Bajando por el Grupo 2 los hidróxidos se vuelven más solubles pero los sulfatos se vuelven menos solubles
    En el Grupo 2, los hidróxidos son más solubles pero los sulfatos menos
    $$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$
    • primero debe separar la red (esto requiere la energía reticular 晶格能).
    • luego el agua rodea a los iones (esto libera el cambio de entalpía de hidratación 水合焓变).

    Si la energía liberada en la hidratación coincide aproximadamente (o supera) a la energía necesaria para romper la red, el sólido se disuelve fácilmente.

    A pale blue gelatinous copper(II) hydroxide precipitate
    Un hidróxido metálico insoluble se forma como un precipitado gelatinoso cuando su energía reticular es demasiado grande para ser compensada por la hidratación

    Al descender por el grupo, tanto la energía reticular como la entalpía de hidratación se hacen menores (menos negativas), porque el catión es más grande. Pero disminuyen a tasas diferentes, y esto explica las tendencias opuestas:

    Dos cajas contrastando hidróxidos y sulfatos: para hidróxidos la energía reticular cae mucho, para sulfatos se mantiene constante, dando tendencias de solubilidad opuestas
    Por qué las tendencias son opuestas: la energía reticular del OH$^-$ lattice energy falls a lot down the group (hydroxides dissolve more), but the large SO$_4^{2-}$ grande apenas cambia (los sulfatos se disuelven menos)
    Compuesto Tendencia en solubilidad 溶解度 al descender por el grupo Por qué
    hidróxidos 氢氧化物 aumenta el ion $\text{OH}^-$ es pequeño, por lo que la energía reticular disminuye mucho al descender por el grupo; este cambio supera la disminución de la energía de hidratación
    sulfatos 硫酸盐 disminuye el ion $\text{SO}_4^{2-}$ es grande, por lo que la energía reticular permanece casi igual; entonces la disminución de la energía de hidratación domina, haciendo que la disolución sea menos favorable
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/ 晶格能 jīng gé néng
    enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/ 水合焓变 shuǐ hé hán biàn
    solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 溶解度 róng jiě dù
    hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/ 氢氧化物 qīng yǎng huà wù
    sulfate/ˈsʌlfeɪt/ 硫酸盐 liú suān yán
    27.1

    Consejos para el examen

    • La estabilidad térmica de los carbonatos y nitratos aumenta al descender por el grupo: los cationes más grandes polarizan al anión menos.
    • Indique los productos de descomposición: carbonatos → óxido + $\text{CO}_2$; nitratos → óxido + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (gas marrón).
    • Los hidróxidos se vuelven más solubles y los sulfatos menos solubles al descender por el grupo.
    • Explique las tendencias mediante la densidad de carga del catión (poder polarizante), no solo por el tamaño.
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 热稳定性 rè wěn dìng xìng
    nitrate/ˈnaɪtreɪt/ 硝酸盐 xiāo suān yán
    carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 碳酸盐 tàn suān yán
    cation/ˈkætaɪən/ 阳离子 yáng lí zi
    ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/ 离子半径 lí zi bàn jìng
  • 28

    Química de los elementos de transición

    Ver lección
    28.1

    Elementos de transición

    Syllabus
    1. definir un elemento de transición como un elemento del bloque d que forma uno o más iones estables con orbitales d incompletos
    2. dibujar la forma de un orbital $3\text{d}_{xy}$ y un orbital $3\text{d}_{z^2}$
    3. comprender que los elementos de transición tienen las siguientes propiedades: (a) presentan estados de oxidación variables (b) actúan como catalizadores (c) forman iones complejos (d) forman compuestos coloreados
    4. explicar por qué los elementos de transición tienen estados de oxidación variables en función de la similitud energética entre los subniveles 3d y 4s
    5. explicar por qué los elementos de transición actúan como catalizadores debido a tener más de un estado de oxidación estable, y orbitales d vacantes que son energéticamente accesibles y pueden formar enlaces dativos con ligandos
    6. explicar por qué los elementos de transición forman iones complejos en términos de orbitales d vacantes que son energéticamente accesibles

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un elemento de transición 过渡元素 es un elemento del bloque d que forma uno o más iones estables con orbitales d incompletos. (El escandio y el zinc están en el bloque d, pero no son elementos de transición, porque sus iones estables tienen orbitales d vacíos o llenos.)

    Los orbitales 3d 轨道 tienen formas definidas: el orbital $3\text{d}_{xy}$ tiene cuatro lóbulos apuntando entre los ejes, y el orbital $3\text{d}_{z^2}$ tiene dos lóbulos a lo largo del eje $z$ con un anillo alrededor del centro.

    Cuatro propiedades clave (y por qué)

    Propiedad Causa
    estado de oxidación variable 氧化态 las subcapas 3d y 4s están cerca en energía, por lo que se requieren cantidades similares y pequeñas de energía para eliminar diferentes números de electrones
    actúan como catalizadores 催化剂 tienen más de un estado de oxidación estable, y orbitales d vacíos que pueden formar enlaces dativos
    forman iones complejos los orbitales d vacíos pueden aceptar pares libres
    forman compuestos coloreados los electrones se mueven entre orbitales d divididos (ver abajo)
    Cuatro propiedades: estados de oxidación variables, actuando como catalizadores, formando iones complejos, y compuestos coloreados
    Las cuatro propiedades clave de los elementos de transición
    A red ruby crystal
    Un rubí es rojo debido a los iones de metal de transición (cromo) atrapados en su red cristalina
    Explorar

    Laboratorio de propiedades de elementos de transición

    Ordenar la evidencia de metales de transición según la propiedad que muestra.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ 过渡元素 guò dù yuán sù
    orbital/ˈɔːbɪtl/ 轨道 guǐ dào
    oxidation state/ˌɒksɪˈdeɪʃn steɪt/ 氧化态 yǎng huà tài
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
    complex ion/ˈkɒmpleks ˈaɪɒn/ 配离子 pèi lí zi
    28.2

    Ligandos y complejos

    Syllabus
    1. Describir y explicar las reacciones de los elementos de transición con ligandos para formar complejos, incluidos los complejos de los iones cobre(II) y cobalto(II) con moléculas de agua y amoníaco, e iones hidróxido y cloruro
    2. Definir el término ligando como una especie que contiene un par de electrones libres que forma un enlace covalente dativo con un átomo/ión metálico central
    3. Comprender y utilizar los términos: (a) ligando monodentado, incluyendo como ejemplos $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ y $\text{CN}^-$; (b) ligando bidentado, incluyendo como ejemplos la 1,2-diaminoetano, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ y el ion etanedioato, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$; (c) ligando polidentado, incluyendo como ejemplo $\text{EDTA}^{4-}$
    4. Definir el término complejo como una molécula o ión formado por un átomo/ión metálico central rodeado de uno o más ligandos
    5. Describir la geometría (forma y ángulos de enlace) de los complejos de elementos de transición que son lineales, cuadradas planares, tetraédricas u octaédricas
    6. (a) Enunciar qué se entiende por número de coordinación; (b) Predecir la fórmula y carga de un ión complejo, dado el ión metálico, su carga o estado de oxidación, el ligando y su número de coordinación o geometría
    7. Explicar cualitativamente que puede ocurrir un intercambio de ligandos, incluidos los complejos de los iones cobre(II) y cobalto(II) con moléculas de agua y amoníaco, e iones hidróxido y cloruro
    8. Predecir, utilizando valores $E^\ominus$, la viabilidad de reacciones redox que involucren elementos de transición y sus iones
    9. Describir las reacciones y realizar cálculos relacionados con: (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ en solución ácida dados datos adecuados; (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ en solución ácida dados datos adecuados; (c) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ dados datos adecuados
    10. Realizar cálculos relacionados con otros sistemas redox dados datos adecuados

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un ion metálico de transición puede estar rodeado de iones complejos 配离子. Las especies unidas son los ligandos.

    Un ligando 配体 es una especie con un par libre de electrones que forma un enlace covalente dativo 配位键 con el ion metálico central. (El par libre 孤对电子 es lo que dona). Los ligandos se agrupan según cuántos de estos enlaces pueden formar:

    • monodentado 单齿: un enlace ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
    • bidentado 双齿: dos enlaces (1,2-diaminoetano "en", y el ion etanodioato $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
    • polidentado 多齿: muchos enlaces ($\text{EDTA}^{4-}$, que utiliza seis).
    Un ion metálico con un ligando monodentado haciendo un enlace, un ligando bidentado haciendo dos enlaces, y un ligando polidentado haciendo seis
    Los ligandos se agrupan según el número de enlaces dativos que forman: monodentado (uno), bidentado (dos) o polidentado (muchos, como los seis del EDTA)

    Un complejo 配合物 es un átomo o ion metálico central rodeado de uno o más ligandos. Su geometría puede ser lineal 直线形, cuadrada plana 平面正方形, tetraédrica 四面体形 u octaédrica 八面体形.

    El número de coordinación 配位数 es el número de enlaces dativos de los ligandos al ion central (6 → octaédrico, 4 → tetraédrico o cuadrado plano, 2 → lineal). Para predecir la carga de un complejo, sume la carga del metal y todas las cargas de los ligandos.

    Cuatro complejos: uno lineal de dos ligandos, uno tetraédrico y uno plano cuadrado de cuatro ligandos, y uno octaédrico de seis ligandos, cada uno etiquetado con su número de coordinación
    Las geometrías de los complejos siguen al número de coordinación: 2 es lineal, 4 es tetraédrica o cuadrada plana, 6 es octaédrica

    Intercambio de ligandos

    En el intercambio de ligandos 配体交换, un ligando reemplaza a otro, a menudo con un cambio de color. Para el cobre(II):

    $$[\text{Cu}(\text{H}_2\text{O})_6]^{2+} \;(\text{pale blue}) \;\xrightarrow{\text{NH}_3}\; [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+} \;(\text{deep blue})$$

    Con concentrado $\text{HCl}$ se vuelve amarillo $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; el cobalto(II) se comporta de manera similar.

    Tres cajas coloreadas para cobre(II): azul pálido con agua, azul intenso después de añadir amoníaco, amarillo después de añadir HCl concentrado
    El intercambio de ligandos cambia el color del cobre(II): azul pálido con agua, azul intenso con amoníaco, amarillo con HCl concentrado

    Reacciones redox de iones de transición

    Utilice valores de $E^{\ominus}$ para predecir si una reacción redox es factible. Las titulaciones comunes que debe poder calcular incluyen $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ y $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ en medio ácido (púrpura a incoloro), y $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (que produce yodo, luego se titula con tiosulfato).

    Ejemplo resuelto. En medio ácido, $\text{MnO}_4^-$ reacciona con $\text{Fe}^{2+}$ en la proporción $1:5$ (vea la ecuación balanceada arriba). Una muestra de $25.0\ \text{cm}^3$ de solución de $\text{Fe}^{2+}$ necesita $22.0\ \text{cm}^3$ de $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ para alcanzar el punto final. Encuentre la concentración de la $\text{Fe}^{2+}$.

    Moles de $\text{MnO}_4^-$ utilizados $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. Cada mol de $\text{MnO}_4^-$ reacciona con $5$ moles de $\text{Fe}^{2+}$, por lo tanto moles de $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. Esto ocurrió en $25.0\ \text{cm}^3$, así que

    $$[\text{Fe}^{2+}] = \frac{2.20 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0880\ \text{mol dm}^{-3}.$$
    Explorar

    Laboratorio de ligandos y complejos

    Identificar la parte de un ion complejo que controla su estructura.

    Explorar

    Ruta de intercambio de ligandos

    Siga un ligando reemplazando a otro alrededor de un ion metálico.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    ligand/ˈlɪɡænd/ 配体 pèi tǐ
    dative covalent bond/ˈdætɪv ˈkəʊvələnt bɒnd/ 配位键 pèi wèi jiàn
    lone pair/ləʊn peə/ 孤对电子 gū duì diàn zi
    monodentate/ˈmɒnəʊdenteɪt/ 单齿 dān chǐ
    bidentate/baɪˈdenteɪt/ 双齿 shuāng chǐ
    polydentate/ˌpɒlɪˈdenteɪt/ 多齿 duō chǐ
    complex/ˈkɒmpleks/ 配合物 pèi hé wù
    linear/ˈlɪnɪə/ 直线形 zhí xiàn xíng
    square planar/skweə ˈpleɪnə/ 平面正方形 píng miàn zhèng fāng xíng
    tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ 四面体形 sì miàn tǐ xíng
    octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ 八面体形 bā miàn tǐ xíng
    coordination number/kəʊˈɔːdɪneɪʃn ˈnʌmbə/ 配位数 pèi wèi shù
    ligand exchange/ˈlɪɡænd eksˈtʃeɪndʒ/ 配体交换 pèi tǐ jiāo huàn
    degenerate/dɪˈdʒenəreɪt/ 简并 jiǎn bìng
    non-degenerate/nɒn dɪˈdʒenəreɪt/ 非简并 fēi jiǎn bìng
    complementary colour/ˌkɒmplɪˈmentəri ˈkʌlə/ 互补色 hù bǔ sè
    geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 几何异构 jǐ hé yì gòu
    28.3

    Por qué los complejos son coloreados

    Syllabus
    1. definir y utilizar los términos degenerados y no degenerados para las orbitales d
    2. describir la separación de las orbitales d degeneradas en dos conjuntos no degenerados de orbitales d de mayor energía, y el uso de $\Delta E$ en: (a) complejos octaédricos, dos orbitales d de mayor energía y tres de menor energía (b) complejos tetraédricos, tres orbitales d de mayor energía y dos de menor energía
    3. explicar por qué los elementos de transición forman compuestos coloreados en términos de la frecuencia de luz absorbida cuando un electrón es promovido entre dos orbitales d no degenerados
    4. describir, en términos cualitativos, los efectos de diferentes ligandos sobre $\Delta E$, la frecuencia de luz absorbida y, por consiguiente, el color complementario que se observa
    5. utilizar los complejos de iones cobre(II) y cobalto(II) con moléculas de agua y amoníaco, así como con iones hidróxido y cloruro, como ejemplos de intercambio de ligandos que afectan al color observado

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En un ion libre, los cinco orbitales d son degenerados 简并 — tienen la misma energía. Cuando los ligandos se acercan, dividen los orbitales d en dos conjuntos no degenerados 非简并, separados por una brecha de energía $\Delta E$:

    • Octaédrico: tres orbitales inferiores y dos superiores.
    • Tetraédrico: dos orbitales inferiores y tres superiores.

    Un complejo absorbe luz cuya frecuencia coincida con $\Delta E$, promoviendo un electrón desde un orbital d inferior a uno superior. El color que ve es el color complementario 互补色 de la luz absorbida. Diferentes ligandos proporcionan una diferente $\Delta E$, por lo que cambian la frecuencia absorbida y, en consecuencia, el color; esto explica por qué el intercambio de ligandos cambia el color.

    Los cinco orbitales d iguales de un ion libre dividiéndose en un conjunto inferior y otro superior, separados por un gap de energía, para complejos octaédricos y tetraédricos
    Ligandos dividen los cinco orbitales d en dos conjuntos separados por una brecha $\Delta E$; el complejo absorbe luz de esa energía, por lo que vemos el color complementario
    Seis vasos de soluciones de metales de transición en fila, cada uno de un color fuerte diferente: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta
    Diferentes metales y estados de oxidación dan diferentes colores: cobalto(II) (rojo), dicromato (naranja), cromato (amarillo), níquel(II) (verde), cobre(II) (azul) y permanganato (violeta)
    Explorar

    Ruta de color del complejo

    Seguir la absorción de luz desde la división de los orbitales d hasta el color observado.

    28.4

    Estereoisomería en complejos

    Syllabus
    1. describa los tipos de estereoisomerismo mostrados por los complejos, incluido aquel asociado con ligandos bidentados: (a) isomería geométrica (cis/trans), p. ej., planar cuadrada como $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ y octaédrica como $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ y $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$; (b) isomería óptica, p. ej., $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ y $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.
    2. deduzca la polaridad global de complejos tales como los descritos en 28.4.1(a) y 28.4.1(b).

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    • isomería geométrica 几何异构 (cis 顺式 / trans 反式) aparece en complejos planares cuadrados como $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, y en complejos octaédricos como $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.
    Un complejo plano cuadrado de platino dibujado dos veces: cis con los dos ligandos de amoníaco adyacentes, trans con ellos opuestos
    Isomería geométrica en un complejo plano cuadrado: los dos ligandos idénticos están adyacentes (cis) u opuestos (trans)
    • isomería óptica 旋光异构 aparece en complejos octaédricos con ligandos bidentados, como $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, que tiene dos imágenes especulares no superponibles.

    También puede deducir la polaridad de un complejo: una forma cis puede ser polar, mientras que la forma trans correspondiente suele ser no polar porque sus dipolos se cancelan.

    Explorar

    Laboratorio de estereoisómeros de complejos

    Clasificar isómeros de complejos según la disposición de los ligandos.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    cis/sɪs/ 顺式 shùn shì
    trans/trænz/ 反式 fǎn shì
    optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 旋光异构 xuán guāng yì gòu
    stability constant/stəˈbɪlɪti ˈkɒnstənt/ 稳定常数 wěn dìng cháng shù
    28.5

    Constantes de estabilidad

    Syllabus
    1. definir la constante de estabilidad, $K_{\text{stab}}$, de un complejo como la constante de equilibrio para la formación del ion complejo en un disolvente (a partir de sus iones o moléculas constituyentes)
    2. escribir una expresión para una $K_{\text{stab}}$ de un complejo ($[\text{H}_2\text{O}]$ no debe incluirse)
    3. utilizar expresiones $K_{\text{stab}}$ para realizar cálculos
    4. describir y explicar los intercambios de ligandos en términos de valores $K_{\text{stab}}$ y comprender que un valor grande $K_{\text{stab}}$ se debe a la formación de un ion complejo estable

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La constante de estabilidad 稳定常数 ($K_{\text{stab}}$) es la constante de equilibrio para la formación de un ion complejo a partir del ion metálico y sus ligandos en solución (el agua se omite de la expresión).

    Un $K_{\text{stab}}$ grande indica un complejo muy estable. En un intercambio de ligandos, el equilibrio se desplaza hacia el complejo con el mayor $K_{\text{stab}}$; por eso un ligando que forma un complejo más estable puede desplazar a uno más débil.

    Explorar

    Laboratorio de constante de estabilidad

    Kstab mayor favorece al complejo

    Aumentar la fuerza de unión del ligando y ver cómo la formación del complejo se vuelve más completa.

    28.5

    Consejos para el examen

    • Defina un elemento de transición: forma al menos un ion con una subcapa d parcialmente llena — por lo tanto, Sc y Zn quedan excluidos.
    • El color proviene de transiciones d-d (los ligandos dividen los orbitales d); el color observado es el complemento de la luz absorbida.
    • Indique el ligando y número de coordinación y prediga la forma (6 = octaédrico, 4 = tetraédrico o plano cuadrado).
    • El intercambio de ligandos puede cambiar el color y el número de coordinación; una constante de estabilidad mayor = un complejo más estable.
  • 29

    Introducción a la química orgánica A Level

    Ver lección
    29.1

    Nuevos grupos funcionales y nomenclatura

    Syllabus
    1. entender que los compuestos en la tabla de la página 47 contienen un grupo funcional que dicta sus propiedades físicas y químicas
    2. interpretar y utilizar las fórmulas general, estructural, desarrollada y esquelética de las clases de compuestos indicadas en la tabla de la página 47
    3. comprender y aplicar la nomenclatura sistemática de moléculas orgánicas alifáticas simples (incluyendo compuestos cíclicos con un solo anillo de hasta seis átomos de carbono) con grupos funcionales detallados en la tabla de la página 47, con hasta seis átomos de carbono (seis más seis para ésteres y amidas, cadenas lineales únicamente para ésteres y nitrilos)
    4. comprender y aplicar la nomenclatura sistemática de moléculas aromáticas simples con un anillo de benceno y uno o más sustituyentes simples, por ejemplo, ácido 3-nitrobenczoico o 2,4,6-tribromofenol

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En el nivel A, te encuentras con más familias de grupos funcionales, incluyendo el grupo amida 酰胺 y compuestos aromáticos (aquellos construidos sobre un anillo de benceno). Al igual que antes, el grupo funcional determina las propiedades, y lo identificas a partir de la fórmula general, estructural, desarrollada o esquelética.

    Nomenclatura de compuestos aromáticos

    Una molécula de benceno 苯 es un anillo de seis carbonos. Cuando nombras un compuesto aromático, utiliza el anillo de benceno 苯环 como padre y numera las posiciones de los sustituyentes. Por ejemplo, el ácido 3-nitrobenczoico tiene un grupo $\text{–NO}_2$ en el carbono 3, y el 2,4,6-tribromofenol tiene tres átomos de bromo en un anillo de fenol. También puedes nombrar compuestos cíclicos con un solo anillo de hasta seis carbonos.

    Dos anillos de benceno numerados: ácido 3-nitrobencánico con COOH en posición 1 y un grupo nitro en posición 3, y 2,4,6-tribromofenol con OH en posición 1 y bromo en posiciones 2, 4 y 6
    Numera el anillo desde el grupo principal (carbono 1); luego las posiciones de los sustituyentes dan el nombre
    Explorar

    Laboratorio de nomenclatura aromática

    Clasificar los sustituyentes aromáticos según su forma de nombramiento.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 官能团 guān néng tuán
    amide/əˈmaɪd/ 酰胺 xiān àn
    aromatic/ərəʊˈmætɪk/ 芳香 fāng xiāng
    29.2

    Dos nuevos tipos de mecanismo

    Syllabus
    1. Comprender y utilizar la siguiente terminología asociada con los tipos de mecanismos orgánicos: (a) sustitución electrofílica (b) adición–eliminación

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    • sustitución electrofílica 亲电取代: un electrófilo reemplaza a un átomo de hidrógeno en un anillo de benceno (esta es la forma en que reacciona el benceno).
    • adición–eliminación 加成消去: una molécula se añade primero, luego se elimina una molécula pequeña (se observa con 2,4-DNPH y con cloruros de acilo).
    Electrophilic substitution and addition-elimination
    Dos mecanismos aromáticos: sustitución electrofílica y adición-eliminación
    Explorar

    Sustitución electrofílica en benceno

    Paso a paso de cómo reacciona el benceno. Un electrófilo sustituye a un hidrógeno — manteniendo el anillo estable — en lugar de añadirse sobre él.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲电取代 qīn diàn qǔ dài
    addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 加成消去 jiā chéng xiāo qù
    hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 杂化 zá huà
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ键 σ jiàn
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
    pi bond/paɪ bɒnd/ π键 π jiàn
    enthalpy change of hydrogenation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ 氢化焓变 qīng huà hán biàn
    enantiomers/eˈnæntɪəməz/ 对映体 duì yìng tǐ
    plane polarised light/pleɪn ˈpəʊləraɪzd laɪt/ 平面偏振光 píng miàn piān zhèn guāng
    optically active/ˈɒptɪkli ˈæktɪv/ 旋光活性 xuán guāng huó xìng
    racemic mixture/rəˈsiːmɪk ˈmɪkstʃə/ 外消旋混合物 wài xiāo xuán hùn hé wù
    chirality/kaɪˈrælɪti/ 手性 shǒu xìng
    chiral centre/ˈkaɪrəl ˈsentə/ 手性中心 shǒu xìng zhōng xīn
    chiral catalyst/ˈkaɪrəl ˈkætəlɪst/ 手性催化剂 shǒu xìng cuī huà jì
    29.3

    La forma del benceno

    Syllabus
    1. describir y explicar la forma del benceno y otras moléculas aromáticas, incluyendo la hibridación $\text{sp}^2$, en términos de los enlaces $\sigma$ y un sistema $\pi$ deslocalizado

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El benceno es un hexágono regular plano. Cada carbono está hibridado sp², utilizando sus tres orbitales de hibridación 杂化 para formar enlaces sigma σ键 con dos carbonos vecinos y uno de hidrógeno. Esto da lugar al anillo de enlaces σ.

    Cada carbono también tiene un electrón restante en un orbital p, orientado perpendicularmente al anillo. Estos orbitales p se solapan lateralmente alrededor de todo el anillo, formando un único sistema de enlace pi deslocalizado 离域 π键 — un anillo de electrones por encima y por debajo del plano. Como los electrones se comparten uniformemente, los seis enlaces C–C tienen la misma longitud, y el benceno es muy estable.

    Un hexágono de benceno con un orbital p erguido en cada carbono, superponiéndose en una nube deslocalizada sombreada encima y debajo del anillo
    Enlace del benceno: un marco sp$^2$ $\sigma$ hace el hexágono plano, mientras que los orbitales p se solapan en un único sistema deslocalizado $\pi$ por encima y por debajo del anillo

    ¿Cómo sabemos que el benceno realmente está deslocalizado? Una fuerte evidencia es su cambio de entalpía de hidrogenación 氢化焓变. Añadir hidrógeno a un doble enlace C=C (como en el ciclohexeno) libera aproximadamente $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, por lo que un anillo de Kekulé con tres dobles enlaces separados debería liberar unos $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. El benceno real libera solo $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$; es aproximadamente $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ más estable de lo que predice el modelo.

    Un diagrama de niveles de energía: hidrogenar el modelo de Kekulé liberaría 360 kJ/mol pero el benceno real libera solo 208, por lo que el benceno real está unos 152 kJ/mol más bajo en energía que el modelo
    Evidencia de la deslocalización: el benceno real libera mucho menos en la hidrogenación ($-208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$) que el modelo de Kekulé ($-360 = 3\times$ ciclohexeno), por lo que es aproximadamente $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ más estable de lo esperado
    Explorar

    Laboratorio de enlace del benceno

    Seguir la evidencia para un anillo de benceno deslocalizado y plano.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    benzene/ˈbenziːn/ 苯 běn
    benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ 苯环 běn huán
    29.4

    Isomería óptica

    Syllabus
    1. entender que los enantiómeros tienen propiedades físicas y químicas idénticas, excepto por su capacidad para rotar la luz polarizada plana y su potencial actividad biológica
    2. comprender y utilizar los términos actividad óptica y mezcla racémica
    3. describir el efecto sobre la luz polarizada plana de los dos isómeros ópticos de una misma sustancia
    4. explicar la relevancia de la quiralidad en la preparación sintética de moléculas farmacológicas, incluyendo: (a) el potencial diferente actividad biológica de los dos enantiómeros (b) la necesidad de separar una mezcla racémica en dos enantiómeros puros (c) el uso de catalizadores quirales para producir un único isómero óptico puro (Los candidatos deben comprender que los compuestos pueden contener más de un centro quiral, pero no se requiere conocimiento sobre compuestos meso ni nomenclatura como diastereoisómeros.)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Dos enantiómeros 对映体 (isómeros imagen especular) tienen propiedades físicas y químicas idénticas, con dos excepciones:

    • rotan la luz polarizada plana 平面偏振光 en direcciones opuestas. Una sustancia que hace esto es activa ópticamente 旋光活性.
    • pueden tener efectos diferentes en organismos vivos (actividad biológica).

    Una mezcla racémica 外消旋混合物 es una mezcla 50:50 de los dos enantiómeros. No rota la luz polarizada plana, porque las dos rotaciones opuestas se cancelan entre sí.

    Luz polarizada en plano pasando a través de cada enantiómero: uno rota el plano en sentido horario, el enantiómero imagen especular lo rota en sentido antihorario
    Los dos enantiómeros rotan la luz polarizada plana en direcciones opuestas; una mezcla racémica 50:50 no produce rotación neta

    Por qué importa la quiralidad para los fármacos

    La quiralidad 手性 es importante al fabricar medicamentos. Una molécula con un centro quiral 手性中心 tiene dos enantiómeros, y pueden comportarse muy diferente en el cuerpo: uno puede curar mientras que el otro causa daño. Así que los fabricantes de fármacos bien:

    • separan una mezcla racémica en los dos enantiómeros puros, o
    • usan un catalizador quiral 手性催化剂 para producir solo el enantiómero sencillo que desean.

    Ejemplo resuelto. ¿Cuál de la butan-1-ol, butan-2-ol y 2-metilpropan-2-ol es quiral? Una molécula es quiral si tiene un carbono unido a cuatro grupos diferentes. Analiza los carbonos uno a uno. En la butan-2-ol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, el carbono 2 lleva $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ y $\text{C}_2\text{H}_5$ - cuatro grupos diferentes, por lo que es un centro quiral y la butan-2-ol existe como dos isómeros ópticos. El carbono 1 de la butan-1-ol lleva dos hidrógenos, y el carbono central de la 2-metilpropan-2-ol lleva dos grupos metilo idénticos, por lo que ninguno es quiral. Basta con un grupo repetido en un carbono para destruir la quiralidad allí, y compara los grupos correctamente: $\text{CH}_3$ y $\text{C}_2\text{H}_5$ difieren, pero solo cuando miras más allá del primer átomo.

    Explorar

    Laboratorio de isomerismo óptico

    Identificar cuándo una molécula puede tener imágenes especulares no superponibles.

    29.4

    Consejos para el examen

    • Los isómeros ópticos necesitan un carbono quiral (cuatro grupos diferentes); son imágenes especulares no superponibles que rotan la luz polarizada plana en direcciones opuestas.
    • Una mezcla racémica se forma cuando un intermedio plano (carbocatión o $\text{C}=\text{O}$) es atacado por igual desde ambos lados.
    • El anillo deslocalizado del benceno (longitudes de enlace iguales, plano) explica su estabilidad frente al modelo de Kekulé.
    • Aprende los dos nuevos mecanismos: sustitución electrofílica de arenos y adición-eliminación nucleofílica.
  • 30

    Hidrocarburos

    Ver lección
    30.1

    Arenas

    Syllabus
    1. describir la química de los arenos tal como se ejemplifica en las siguientes reacciones del benceno y el metilbenceno: (a) reacciones de sustitución con $\text{Cl}_2$ y con $\text{Br}_2$ en presencia de un catalizador, $\text{AlCl}_3$ o $\text{AlBr}_3$, para formar halogenoarenos (haluros arílicos); (b) nitración con una mezcla de $\text{HNO}_3$ concentrado y $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado a una temperatura entre $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ y $60\text{ }^{\circ}\text{C}$; (c) alquilación de Friedel–Crafts por $\text{CH}_3\text{Cl}$ y $\text{AlCl}_3$ y calor; (d) acilación de Friedel–Crafts por $\text{CH}_3\text{COCl}$ y $\text{AlCl}_3$ y calor; (e) oxidación completa de la cadena lateral usando $\text{KMnO}_4$ alcalino caliente y luego ácido diluido para dar ácido benzoico; (f) hidrogenación del anillo de benceno usando $\text{H}_2$ y catalizador $\text{Pt/Ni}$ y calor para formar un anillo de ciclohexano
    2. describir el mecanismo de la sustitución electrofílica en los arenos: (a) tal como se ejemplifica en la formación de nitrobenceno y bromobenceno; (b) respecto al efecto de la deslocalización (estabilización aromática) de electrones en los arenos para explicar la predominancia de la sustitución sobre la adición
    3. predecir si ocurrirá halogenación en la cadena lateral o en el anillo aromático en los arenos dependiendo de las condiciones de reacción
    4. describir que en la sustitución electrofílica de los arenos, diferentes sustituyentes dirigen hacia diferentes posiciones del anillo (limitado a los efectos directores de $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ y $-\text{COR}$)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Arenas Los hidrocarburos aromáticos son compuestos basados en el anillo de benceno. El anillo deslocalizado de electrones es estable y rico en electrones, por lo que el benceno reacciona principalmente mediante sustitución electrofílica —manteniendo el anillo— en lugar de mediante adición.

    Pila de bolas de naftaleno blancas
    La naftaleno, utilizada en bolas antiplaga, es una arena simple: dos anillos de benceno fusionados

    Reacciones del benceno y metilbenceno

    Reacción Reactivos y condiciones Producto
    halogenación $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$, con $\text{AlCl}_3$ o $\text{AlBr}_3$ como catalizador un haloareno (haluro arilo)
    nitración $\text{HNO}_3$ concentrado + $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado, $25$–$60\,°\text{C}$ nitrobenceno
    alquilación de Friedel-Crafts $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, calor metilbenceno (añade un grupo alquilo)
    acilación de Friedel-Crafts $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, calor una cetona fenílica (añade un grupo acilo)
    oxidación de la cadena lateral $\text{KMnO}_4$ alcalino caliente, seguido de ácido diluido ácido benzoico
    hidrogenación $\text{H}_2$, catalizador $\text{Pt/Ni}$, calor ciclohexano
    La alquilación de Friedel-Crafts añade un grupo alquilo; la acilación añade un grupo acilo
    Friedel-Crafts: la alquilación añade un grupo alquilo, la acilación un grupo acilo
    Benceno en el centro con flechas hacia clorobenceno, nitrobenceno, metilbenceno, una cetona fenílica y ciclohexano, cada uno etiquetado con sus reactivos
    El benceno mantiene su anillo estable, reaccionando principalmente por sustitución electrofílica (y por adición solo con hidrógeno)

    En la oxidación de la cadena lateral, toda la cadena lateral (como el $\text{–CH}_3$ en el metilbenceno) se convierte en un grupo $\text{–COOH}$, dando ácido benzoico. En la hidrogenación, tres moléculas de $\text{H}_2$ se añaden al anillo de benceno para formar un anillo de ciclohexano saturado.

    Mecanismo: sustitución electrofílica

    Tome la nitración como ejemplo. La mezcla ácida genera el electrófilo $\text{NO}_2^+$. Luego:

    1. los electrones deslocalizados del anillo forman un enlace con el electrófilo, dando un intermediario inestable.
    2. se pierde un $\text{H}^+$ de ese carbono, lo que restaura el anillo estable.

    La sustitución gana sobre la adición porque se mantiene la deslocalización (estabilización aromática) del anillo. La adición destruiría este sistema estable, por lo que no es favorecida.

    Mecanismo de nitración: el anillo ataca al NO2+ con una flecha curva para dar un intermediario positivo, que pierde H+ para restaurar el anillo como nitrobenceno
    Sustitución electrofílica (nitración): el anillo ataca al electrófilo NO$_2^+$ to give an unstable intermediate, then loses H$^+$ para restaurar el anillo

    ¿Cadena lateral o anillo?

    Dónde reacciona un halógeno depende de las condiciones:

    • con un catalizador portador de halógeno (como $\text{AlCl}_3$) y sin luz UV → sustitución en el anillo.
    • con luz UV y sin catalizador → sustitución por radicales libres en la cadena lateral.
    Metilbenceno con cloro ramificándose en dos direcciones: con AlCl3 y sin UV el cloro sustituye el anillo, con UV y sin catalizador sustituye el grupo metilo de la cadena lateral
    Las condiciones deciden: un portador de halógeno (AlCl₃) sustituye el anillo; la luz UV sustituye la cadena lateral

    Efectos orientadores

    Un grupo ya presente en el anillo decide dónde entrará el siguiente grupo: su efecto orientador:

    Dos anillos numerados de benceno: uno con las posiciones 2 y 4 resaltadas para grupos amino, hidroxilo y alquilo, el otro con la posición 3 resaltada para grupos nitro, carboxilo y acilo
    Un grupo ya en el anillo orienta al siguiente: –NH$_2$/–OH/–R send it to positions 2 and 4; –NO$_2$/–COOH/–COR lo envían a la posición 3
    Grupo ya presente Orienta al nuevo grupo a
    $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ posiciones 2 y 4
    $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ posición 3

    Ejemplo resuelto. Se nitan tanto el metilbenceno como el nitrobenceno. Prediga dónde entrará el nuevo grupo $\text{NO}_2$ y cuál de los compuestos reacciona más rápido. Observe el grupo ya presente en el anillo. En el metilbenceno, el $\text{–CH}_3$ es un grupo alquilo: orienta al nuevo grupo a las posiciones 2 y 4, y libera electrones hacia el anillo, haciendo que este sea más atractivo para un electrófilo; por tanto, el metilbenceno se nita más rápido que el benceno. En el nitrobenceno, el $\text{–NO}_2$ orienta a la posición 3, y retira electrones del anillo; por tanto, el nitrobenceno se nita más lentamente que el benceno. El grupo ya presente controla tanto la posición como la velocidad, y ambos viajan juntos: los orientadores 2,4 activan el anillo, mientras que los orientadores 3 lo desactivan.

    Explorar

    Ruta de sustitución del areno

    Seguir la sustitución electrofílica en el benceno.

    Explorar

    Laboratorio de efectos directores

    Clasificar los sustituyentes según cómo afectan al anillo de benceno.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    arene/ˈæren/ 芳烃 fāng tīng
    benzene/ˈbenziːn/ 苯 běn
    electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲电取代 qīn diàn qǔ dài
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
    halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ 卤代芳烃 lǔ dài fāng tīng
    nitration/naɪˈtreɪʃn/ 硝化 xiāo huà
    Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ 傅克烷基化 fù kè wán jī huà
    Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ 傅克酰基化 fù kè xiān jī huà
    benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ 苯甲酸 běn jiǎ suān
    hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ 氢化 qīng huà
    side-chain/saɪd tʃeɪn/ 侧链 cè liàn
    benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ 苯环 běn huán
    delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ 离域 lí yù
    directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ 定位效应 dìng wèi xiào yìng
    30.1

    Consejos para el examen

    • El benceno experimenta sustitución electrofílica, no adición, porque la adición destruiría el anillo deslocalizado estable.
    • Aprenda la nitración ($\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrados, $50-60\ ^\circ\text{C}$) y la halogenación (halógeno + $\text{AlCl}_3$) junto con el paso de generación del electrófilo.
    • Compare la reactividad: el benceno resiste la adición mucho más que un alqueno debido a la deslocalización.
  • 31

    Compuestos halogenados

    Ver lección
    31.1

    Formación de halogenoarenas

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones mediante las cuales se pueden obtener haloarilicos: sustitución de un areno con $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$ en presencia de un catalizador, $\text{AlCl}_3$ o $\text{AlBr}_3$, para formar un haloarílico; ejemplificado por la formación de clorobenceno a partir de benceno y la formación de 2-clorometilbenceno y 4-clorometilbenceno a partir de metilbenceno
    2. Explicar la diferencia en la reactividad entre un haloalcano y un haloarílico, como ejemplifica el cloroetano y el clorobenceno

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un halogenoarena 卤代芳烃 (también llamado haluro arílico) se forma cuando un areno 芳烃 reacciona con $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$, utilizando $\text{AlCl}_3$ o $\text{AlBr}_3$ como catalizador 催化剂. Esta es una sustitución electrofílica perteneciente al tema de los arenos: el halógeno reemplaza a un hidrógeno del anillo.

    • El benceno da clorobenceno.
    • La metilbenceno da 1-cloro-2-metilbenceno y 1-cloro-4-metilbenceno (el grupo metilo dirige el cloro a las posiciones 2 y 4).
    Benceno reaccionando con cloro, usando cloruro de aluminio como catalizador, para dar clorobenceno y ácido clorhídrico — un átomo de cloro reemplaza a un hidrógeno en el anillo
    Formación de una halogenoarena por sustitución electrofílica: con un catalizador de AlCl₃, un cloro reemplaza a un hidrógeno en el anillo (formando HCl)
    Un tractor pulverizando un cultivo en un campo
    Muchos pesticidas y herbicidas son halogenoarenas — átomos de cloro unidos a un anillo de benceno
    Explorar

    Laboratorio de halogenares

    Comparar los halogenares con los halogenoalcanos.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ 卤代芳烃 lǔ dài fāng tīng
    arene/ˈæren/ 芳烃 fāng tīng
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲核取代 qīn hé qǔ dài
    lone pair/ləʊn peə/ 孤对电子 gū duì diàn zi
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
    nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 亲核试剂 qīn hé shì jì
    31.1

    Por qué una halogenoarena es menos reactiva que una halogenoalcano

    Compare la cloroetano (un halogenoalcano 卤代烷) con el clorobenceno (una halogenoarena).

    Una halogenoalcano reacciona fácilmente mediante sustitución nucleofílica 亲核取代: su enlace C–Cl es polar, por lo que un nucleófilo puede atacar al carbono ligeramente positivo y expulsar al halógeno.

    Una halogenoarena es muy poco reactiva hacia la sustitución nucleofílica. Hay dos razones:

    • Un par solitario 孤对电子 sobre el cloro se superpone lateralmente con el anillo deslocalizado 离域 de electrones. Esto le confiere al enlace C–Cl carácter de doble enlace parcial, haciéndolo más corto y fuerte, por lo que es mucho más difícil de romper.
    • El anillo rico en electrones repele a un nucleófilo 亲核试剂 que se acerca.

    Por lo tanto, el clorobenceno no reacciona con nucleófilos como $\text{OH}^-$ bajo condiciones normales, mientras que la cloroetano sí lo hace.

    Cloroetano con un nucleófilo atacando su carbono ligeramente positivo, junto al clorobenceno donde el par solitario del cloro se superpone al anillo y este repele al nucleófilo
    La cloroetano reacciona (un nucleófilo ataca al carbono $\delta+$), pero el clorobenceno no: el par solitario del Cl fortalece el enlace C–Cl y el anillo repele a los nucleófilos
    31.1

    Consejos para el examen

    • Una halogenoarena es menos reactiva que una halogenoalcano: el par solitario se deslocaliza en el anillo, otorgando al enlace $\text{C-X}$ carácter de doble enlace parcial.
    • Distinga entre un halógeno en el anillo (requiere catalizador, poco reactivo hacia la sustitución) y uno en una cadena lateral (reacciona como una halogenoalcano).
  • 32

    Compuestos hidroxilados

    Ver lección
    32.1

    Alcoholes con cloruros de acilo

    Syllabus
    1. describir la reacción con cloruros de acilo para formar ésteres utilizando etanoato de etilo

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En el nivel A, te encuentras con una reacción más de un alcohol 醇: reacciona con un cloruro de acilo 酰氯 para formar un éster 酯. Esto ocurre más rápido y de forma más completa que usando un ácido carboxílico. Por ejemplo, el etanol y el cloruro de etanoico dan etanoato de etilo, además de humos de $\text{HCl}$.

    Etanol reaccionando con cloruro de etanoilo para dar el éster etanoato de etilo y cloruro de hidrógeno
    Un cloruro de acilo reacciona con un alcohol más rápido y de forma más completa que un ácido carboxílico, dando el éster y humos de HCl
    Explorar

    Ruta de cloruro de acilo con alcohol

    Seguir la sustitución nucleofílica en acilo hasta un éster.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 酰氯 xiān lǜ
    ester/ˈestə/ 酯 zhǐ
    32.2

    Fenol

    Syllabus
    1. recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se puede producir fenol: (a) reacción de anilina con $\text{HNO}_2$ o $\text{NaNO}_2$ y ácido diluido por debajo de $10\text{ }^\circ\text{C}$ para producir la sal de diazonio; posterior calentamiento de la sal de diazonio con $\text{H}_2\text{O}$ para obtener fenol
    2. recordar la química del fenol, ejemplificada por las siguientes reacciones: (a) con bases, por ejemplo $\text{NaOH(aq)}$, para producir fenóxido sódico (b) con $\text{Na(s)}$, para producir fenóxido sódico y $\text{H}_2\text{(g)}$ (c) en $\text{NaOH(aq)}$ con sales de diazonio, para dar compuestos azo (d) nitración del anillo aromático con $\text{HNO}_3\text{(aq)}$ diluido a temperatura ambiente para dar una mezcla de 2-nitrofenol y 4-nitrofenol (e) bromación del anillo aromático con $\text{Br}_2\text{(aq)}$ para formar 2,4,6-tribromofenol
    3. explicar la acidez del fenol
    4. describir y explicar las acidez relativa del agua, el fenol y el etanol
    5. explicar por qué los reactivos y las condiciones para la nitración y bromación del fenol son diferentes de aquellos para el benceno
    6. recordar que el grupo hidroxilo de un fenol dirige hacia las posiciones 2-, 4- y 6-
    7. aplicar el conocimiento sobre las reacciones del fenol a otras compuestos fenólicos, p. ej., naftol

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El fenol 苯酚 tiene un grupo $\text{–OH}$ unido directamente a un anillo de benceno 苯环. Esto cambia la química tanto del grupo $\text{–OH}$ como del anillo.

    A sample of phenol that has turned pink
    El fenol es un sólido de bajo punto de fusión; se torna lentamente rosado al oxidarse en el aire

    Síntesis del fenol

    Enfría la anilina 苯胺 con $\text{NaNO}_2$ y ácido diluido por debajo de $10\,°\text{C}$ para obtener una sal de diazonio 重氮盐. Calentar esta sal con agua luego produce fenol (y gas nitrógeno).

    Reacciones del fenol

    • con una base como $\text{NaOH(aq)}$: el fenol reacciona para dar fenóxido sódico y agua. (Los alcoholes comunes no reaccionan con $\text{NaOH}$ — esto muestra que el fenol es más ácido.)
    • con sodio metálico: da fenóxido sódico e hidrógeno.
    • con una sal de diazonio en $\text{NaOH(aq)}$: forma un compuesto azoico 偶氮化合物 coloreado (usado en tintes).
    • nitroación 硝化 con ácido nítrico diluido $\text{HNO}_3$ a temperatura ambiente: da una mezcla de 2-nitrofenol y 4-nitrofenol.
    • bromación 溴化 con agua bromurada a temperatura ambiente (sin catalizador): da un precipitado blanco de 2,4,6-tribromofenol.

    Acidez del fenol

    El fenol pierde su $\text{H}^+$ para formar un ion fenóxido. Este ion se estabiliza porque su carga negativa se dispersa (delocaliza) hacia el anillo. Por lo tanto, la acidez 酸性 del fenol es mayor que la del agua o del etanol:

    $$\text{ethanol} < \text{water} < \text{phenol}$$
    Fenol perdiendo un protón para formar un ion fenóxido, con una flecha rizada mostrando la carga negativa extendiéndose por el anillo
    El fenol es más ácido que el agua o un alcohol: perder H$^+$ da un ion fenóxido cuya carga negativa se dispersa hacia el anillo, estabilizándolo

    (El fenol sigue siendo un ácido débil — más débil que un ácido carboxílico.)

    Por qué las condiciones son más suaves que para el benceno

    Un par solitario en el oxígeno del fenol está parcialmente delocalizado 离域 hacia el anillo. Esto hace que el anillo sea más rico en electrones, por lo que atrae los electrófilos con mayor fuerza. El fenol, por lo tanto, reacciona más rápido y bajo condiciones mucho más suaves que el benceno — no se necesita catalizador, y los reactivos diluidos funcionan a temperatura ambiente.

    Reacción del fenol con agua de bromo a temperatura ambiente para dar 2,4,6-tribromofenol, un precipitado blanco
    El anillo del fenol está activado, por lo que el agua bromurada bromura las posiciones 2, 4 y 6 a temperatura ambiente sin catalizador, dando un precipitado blanco

    El grupo $\text{–OH}$ dirige nuevos sustituyentes a las posiciones 2-, 4- y 6-. Las mismas ideas aplican a otros compuestos fenólicos, como la naftol.

    A pink bar of carbolic soap
    El jabón carbólico contiene fenol, que fue uno de los primeros antisépticos

    Ejemplo resuelto. El fenol, el etanol y el ácido etanoico se agitan por separado con $\text{NaOH}$ acuoso y luego con $\text{Na}_2\text{CO}_3$ acuoso. Predice qué sucede y ordena los tres según su acidez. La acidez depende de qué tan bien se estabilice el anión dejado atrás. El etóxido del etanol mantiene su carga atada a un solo oxígeno, así que el etanol es el más débil y no reacciona con ninguno. El fenóxido del fenol dispersa la carga hacia el anillo, haciendo que el fenol sea lo suficientemente ácido como para reaccionar con la base fuerte $\text{NaOH}$ pero no con el más débil $\text{Na}_2\text{CO}_3$ — por lo tanto, sin efervescencia. El etanoato dispersa la carga sobre dos oxígenos, el más efectivo de los tres, así que el ácido etanoico reacciona con ambos y efervesce con el carbonato. Orden: etanol < fenol < ácido etanoico. El carbonato es la prueba discriminante — solo un ácido carboxílico efervesce, lo cual es exactamente cómo distinguir el fenol de un ácido.

    Explorar

    Laboratorio de reacción del fenol

    Clasificar las reacciones del fenol según el papel del grupo OH aromático.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    phenol/ˈfenɒl/ 苯酚 běn fēn
    benzene/ˈbenziːn/ 苯 běn
    phenylamine/ˌfiːˈnaɪləmiːn/ 苯胺 běn àn
    diazonium salt/ˌdaɪəˈzəʊnɪəm sɒlt/ 重氮盐 zhòng dàn yán
    azo compound/ˈɑːzəʊ ˈkɒmpaʊnd/ 偶氮化合物 ǒu dàn huà hé wù
    nitration/naɪˈtreɪʃn/ 硝化 xiāo huà
    bromination/ˌbrəʊmɪˈneɪʃn/ 溴化 xiù huà
    acidity/æˈsɪdɪti/ 酸性 suān xìng
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
    32.2

    Consejos para el examen

    • El fenol es un ácido más fuerte que los alcoholes (su anión se estabiliza por deslocalización) pero más débil que los ácidos carboxílicos — no reacciona con carbonatos.
    • El fenol decolora el agua bromurada y da un precipitado blanco sin catalizador (el anillo está activado por el oxígeno).
    • Los cloruros de acilo reaccionan con alcoholes/fenoles para dar ésteres fácilmente (mejor que la ruta reversible del ácido); los humos blancos de HCl son la observación.
  • 33

    Ácidos carboxílicos y derivados

    Ver lección
    33.1

    Ácidos carboxílicos

    Syllabus
    1. Recordar la reacción por la cual se puede producir ácido benzoico: (a) reacción de un alquilbenceno con $\text{KMnO}_4$ alcalino caliente y luego ácido diluido, ejemplificado por el metilbenceno
    2. Describir la reacción de los ácidos carboxílicos con $\text{PCl}_3$ y calor, $\text{PCl}_5$ o $\text{SOCl}_2$ para formar cloruros de acilo
    3. Reconocer que algunos ácidos carboxílicos pueden oxidarse aún más: (a) la oxidación del ácido metanoico, $\text{HCOOH}$, con reactivo de Fehling, reactivo de Tollens, $\text{KMnO}_4$ acidificado o $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidificado hasta dióxido de carbono y agua; (b) la oxidación del ácido etanodioico, $\text{HOOCCOOH}$, con $\text{KMnO}_4$ acidificado tibia hasta dióxido de carbono
    4. Describir y explicar las acidez relativa de los ácidos carboxílicos, fenoles y alcoholes
    5. Describir y explicar la acidez relativa de los ácidos carboxílicos sustituidos con cloro

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Limones enteros y cortados
    Los cítricos tienen un sabor ácido porque contienen ácido cítrico, un ácido carboxílico.

    Síntesis y reacciones

    • Un alquilbenceno (como el metilbenceno) se oxida con $\text{KMnO}_4$ alcalino en caliente, seguido de ácido diluido, para obtener ácido benzoico. Toda la cadena lateral se convierte en un grupo $\text{–COOH}$.
    • Un ácido carboxílico reacciona con $\text{PCl}_3$ y calor, $\text{PCl}_5$, o $\text{SOCl}_2$ para formar un cloruro de acilo.
    El KMnO4 caliente oxida una cadena lateral metilo en un anillo a un grupo COOH, obteniendo ácido benzoico
    El KMnO4 caliente oxida una cadena lateral metilo a un grupo COOH.

    Ácidos que pueden oxidarse aún más

    Dos ácidos carboxílicos son especiales porque aún pueden oxidarse:

    • El ácido metanoico ($\text{HCOOH}$) es oxidado por los reactivos de Fehling o Tollens, o por $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ acidificado, produciendo dióxido de carbono y agua.
    • El ácido etanodioico ($\text{HOOCCOOH}$) es oxidado por $\text{KMnO}_4$ acidificado tibia produciendo dióxido de carbono.

    Acidez relativa

    El orden de acidez es:

    $$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

    Un ácido carboxílico es el más fuerte porque, al perder $\text{H}^+$, la carga negativa se distribuye sobre dos átomos de oxígeno, haciendo que el ion sea muy estable. En un fenol, la carga se distribuye solo en el anillo, y en un alcohol (dando $\text{RO}^-$) no se distribuye en absoluto.

    Una escala de tres niveles desde el alcohol en la base hasta el fenol y el ácido carboxílico en la parte superior, mostrando cada uno cómo su anión distribuye la carga negativa
    La acidez aumenta desde el alcohol hacia el fenol y luego hacia el ácido carboxílico: cuanto más se distribuye la carga negativa en la base conjugada, más estable es el ion y más fuerte es el ácido.

    Los átomos de cloro hacen que un ácido carboxílico sea más ácido. El cloro es withdrawor de electrones: a través del efecto inductivo atrae densidad electrónica alejándola, lo que ayuda a distribuir la carga negativa y estabilizar el ion. Por lo tanto, más átomos de cloro (más cercanos al $\text{–COOH}$) dan un ácido más fuerte.

    Explorar

    Mapa de ácidos carboxílicos A2

    Seguir los ácidos carboxílicos a través de sus derivados acilo y sales.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    acidity/æˈsɪdɪti/ 酸性 suān xìng
    phenol/ˈfenɒl/ 苯酚 běn fēn
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 醇 chún
    electron-withdrawing/ɪˈlektrɒn wɪθˈdrɔːɪŋ/ 吸电子 xī diàn zi
    inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 诱导效应 yòu dǎo xiào yìng
    ester/ˈestə/ 酯 zhǐ
    ammonia/æˈməʊnɪə/ 氨 ān
    amide/əˈmaɪd/ 酰胺 xiān àn
    amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
    addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 加成消去 jiā chéng xiāo qù
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    33.2

    Ésteres

    Syllabus
    1. Recuerda la reacción por la cual se pueden producir ésteres: (a) reacción de alcoholes con cloruros de acilo utilizando como ejemplos la formación de etanoato de etilo y benzoato de fenilo

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un alcohol (o fenol) reacciona con un cloruro de acilo a temperatura ambiente para dar un éster y $\text{HCl}$. Ejemplos son el etanoato de etilo (a partir de etanol) y el benzoato de fenilo (a partir de fenol).

    Un frasco de tabletas de aspirina
    La aspirina es un éster, fabricado a partir del ácido salicílico.
    Explorar

    Mapa de reacciones de éster A2

    Comparar rutas de formación, hidrólisis y transesterificación de ésteres.

    33.3

    Cloruros de acilo

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se pueden obtener cloruros de acilo: (a) reacción de ácidos carboxílicos con $\text{PCl}_3$ y calor, $\text{PCl}_5$ o $\text{SOCl}_2$.
    2. Describir las siguientes reacciones de los cloruros de acilo: (a) hidrólisis por adición de agua a temperatura ambiente para dar el ácido carboxílico y $\text{HCl}$; (b) reacción con un alcohol a temperatura ambiente para producir un éster y $\text{HCl}$; (c) reacción con fenol a temperatura ambiente para producir un éster y $\text{HCl}$; (d) reacción con amoníaco a temperatura ambiente para producir una amida y $\text{HCl}$; (e) reacción con una amina primaria o secundaria a temperatura ambiente para producir una amida y $\text{HCl}$.
    3. Describir el mecanismo de adición–eliminación de los cloruros de acilo en las reacciones descritas en 33.3.2(a)–(e).
    4. Explicar la facilidad relativa de hidrólisis de los cloruros de acilo, los cloruros alquílicos y los halogenoarénicos (cloruros arílicos).

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Los cloruros de acilo se preparan a partir de ácidos carboxílicos (con $\text{PCl}_3$, $\text{PCl}_5$ o $\text{SOCl}_2$). Son muy reactivos. A temperatura ambiente reaccionan con:

    Reactivo Producto (más $\text{HCl}$)
    agua el ácido carboxílico
    un alcohol un éster
    fenol un éster
    amoniaco una amida
    una amina primaria o secundaria una amida
    Cloruro de acilo en el centro con flechas hacia sus productos con agua, un alcohol, fenol, amoníaco y una amina
    Los cloruros de acilo son muy reactivos: con agua, un alcohol, fenol, amoníaco o una amina producen el producto etiquetado más HCl.

    Mecanismo de adición-eliminación

    Todas estas reacciones siguen un mecanismo de adición-eliminación: un nucleófilo primero se añade al carbono del carbonilo ligeramente positivo, luego se elimina $\text{HCl}$.

    Mecanismo del cloruro de acilo: un nucleófilo se añade al carbono del carbonilo para dar un intermediario tetraédrico, que luego pierde cloruro como HCl
    Adición-eliminación: el nucleófilo se añade al carbono del carbonilo $\delta+$, luego el C=O se reformula y el Cl$^-$ sale como HCl.

    Facilidad de hidrólisis

    Compare qué tan fácilmente tres cloruros reaccionan con agua (hidrólisis):

    $$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

    Un cloruro de acilo reacciona violentamente con agua fría; un cloruro alquilo reacciona lentamente; un cloruro arilo (haloareno) no reacciona, porque su enlace C–Cl se refuerza por el anillo.

    Ejemplo resuelto. El cloruro de etanoylo reacciona violentamente con agua fría, mientras que el etanoato de etilo requiere reflujo prolongado con ácido o álcali. Explique la diferencia. Ambos son atacados en el carbono del carbonilo, así que compare qué tan abierto está ese carbono al ataque y qué buen grupo saliente es. En el cloruro de etanoylo, el cloro es fuertemente electronegativo y retira electrones, haciendo que el carbono del carbonilo sea mucho más $\delta+$ y, por lo tanto, mucho más susceptible al ataque de un nucleófilo; además, el $\text{Cl}^{-}$, el anión de un ácido fuerte, es un buen grupo saliente. En el éster, el oxígeno $\text{–OR}$ donar un par de electrones solitario al carbonilo, reduciendo esa carga $\delta+$, y el $\text{RO}^{-}$ es un malo grupo saliente. Por lo tanto, el cloruro de acilo se hidroliza mucho más fácilmente. Argumente desde ambos lados: la carga $\delta+$ en el carbono y el grupo saliente; usualmente usar solo uno de ellos otorga la mitad de los puntos posibles.

    Explorar

    Mapa de reacciones de cloruros de acilo

    Comprenda por qué los cloruros de acilo son agentes acetilantes reactivos.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    alkylbenzene/ˈælkɪlbenziːn/ 烷基苯 wán jī běn
    benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ 苯甲酸 běn jiǎ suān
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 酰氯 xiān lǜ
    33.3

    Consejos para el examen

    • Los cloruros de acilo son muy reactivos — aprenda sus productos con agua (HCl), alcoholes (ésteres), amoníaco (amidas) y aminas.
    • Orden de reactividad de los derivados: cloruro de acilo > éster > amida.
    • Fuerza ácida: los grupos withdrawores de electrones (ej. Cl) la aumentan — explique mediante el ion carboxilato.
  • 34

    Compuestos nitrogenados

    Ver lección
    34.1

    Aminas primarias y secundarias

    Syllabus
    1. Recordar las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se producen las aminas primarias y secundarias: (a) reacción de halogenoalcanos con $\text{NH}_3$ en etanol, calentado bajo presión (b) reacción de halogenoalcanos con aminas primarias en etanol, calentadas en un tubo sellado/bajo presión (c) la reducción de amidas con $\text{LiAlH}_4$ (d) la reducción de nitrilos con $\text{LiAlH}_4$ o $\text{H}_2/\text{Ni}$
    2. Describir la reacción de condensación del amoniaco o una amina con un cloruro de acilo a temperatura ambiente para dar lugar a una amida
    3. Describir y explicar la basicidad de las soluciones acuosas de aminas

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Una amina 胺 tiene un grupo $\text{–NH}_2$ (primaria) o un grupo $\text{–NH}$ (secundaria).

    Una amina primaria tiene -NH2; una amina secundaria tiene -NH entre dos carbonos
    Una amina primaria tiene -NH2; una amina secundaria tiene -NH-

    Síntesis de aminas

    • Un haloalcano 卤代烷 con $\text{NH}_3$ en etanol, calentado a presión → produce una amina primaria.
    • Un haloalcano con una amina primaria, calentado a presión → produce una amina secundaria.
    • Reducción 还原 de una amida 酰胺 con $\text{LiAlH}_4$.
    • Reducción de un nitrilo 腈 con $\text{LiAlH}_4$ o $\text{H}_2/\text{Ni}$.
    Dos rutas: un halogenoalcano con amoníaco, o la reducción de un nitrilo
    Dos rutas para obtener una amina: desde un haloalcano o reduciendo un nitrilo

    Una amina (o amoníaco 氨) reacciona con un cloruro acilo en una reacción de condensación 缩合 para dar una amida. El reactivo es un cloruro acilo 酰氯.

    Basicidad de las aminas

    La basicidad 碱性 de una amina proviene del par solitario de su nitrógeno, el cual puede aceptar un $\text{H}^+$ del agua.

    Explorar

    Laboratorio de tipo de amina

    Clasificar aminas según la sustitución en nitrógeno y su comportamiento básico.

    34.2

    Fenilamina y compuestos azoicos

    Syllabus
    1. Describir la preparación de fenilamina mediante la nitración del benceno para formar nitrobenceno, seguida de reducción con Sn caliente/ácido $\text{HCl}$ concentrado y posterior tratamiento con $\text{NaOH(aq)}$.
    2. Describir: (a) la reacción de la fenilamina con $\text{Br}_2\text{(aq)}$ a temperatura ambiente; (b) la reacción de la fenilamina con $\text{HNO}_2$ o $\text{NaNO}_2$ y ácido diluido por debajo de $10\text{ }^\circ\text{C}$ para producir una sal de diazonio; calentar posteriormente la sal de diazonio con $\text{H}_2\text{O}$ para obtener fenol.
    3. Describir y explicar las basicidades relativas de la amoníaco acuoso, la etilamina y la fenilamina.
    4. Recordar lo siguiente sobre los compuestos azo: (a) describir el acoplamiento del cloruro de benzenediazonio con fenol en $\text{NaOH(aq)}$ para formar un compuesto azo; (b) identificar el grupo azo; (c) indicar que los compuestos azo se utilizan frecuentemente como colorantes; (d) que otros colorantes azo pueden formarse mediante una ruta similar.

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Síntesis de fenilamina

    Obtenga fenilamina 苯胺 a partir del benceno en dos pasos: nitré el benceno hasta nitrobenceno, luego redúzcalo con caliente $\text{Sn}$ y concentrado $\text{HCl}$, seguido de $\text{NaOH(aq)}$.

    Reacciones

    • Con agua bromada a temperatura ambiente → 2,4,6-tribromofenilamina (un precipitado blanco). El anillo está activado, similar al fenol.
    • Con $\text{HNO}_2$ (obtenido de $\text{NaNO}_2$ y ácido diluido) por debajo de $10\,°\text{C}$ → produce una sal diazonio; calentar esto con agua da fenol.

    Basicidad relativa

    $$\text{phenylamine} < \text{ammonia} < \text{ethylamine}$$

    La etilamina es la base más fuerte: su grupo alquilo empuja densidad electrónica hacia el nitrógeno, haciendo que el par solitario esté más disponible. La fenilamina es la más débil, porque su par solitario se deslocaliza 离域 hacia el anillo de benceno, por lo que está menos disponible para aceptar un $\text{H}^+$.

    Anilina, amoniaco y etilamina en una escala de basicidad, con el anillo alejando el par solitario en la anilina y el grupo alquilo empujando electrones en la etilamina
    La basicidad depende del par solitario del nitrógeno: un grupo alquilo lo hace más disponible (etilamina es la más fuerte), mientras que un anillo de benceno lo aleja (fenilamina es la más débil)

    Compuestos azoicos

    Una sal diazonio 重氮盐 (cloruro de benzenediazonio) se acopla con fenol 苯酚 en $\text{NaOH(aq)}$ para formar un compuesto azoico 偶氮化合物. El grupo azo es $\text{–N=N–}$. Los compuestos azoicos son intensamente coloreados y a menudo se utilizan como colorantes 染料; muchos otros colorantes azoicos se fabrican de manera similar.

    Un pequeño montón de polvo de colorante naranja brillante de metilorange sobre un fondo claro
    El naranja de metilo, un colorante azoico de color naranja brillante; el intenso color proviene del grupo azoic $\text{–N=N–}$, razón por la cual los compuestos azoicos se usan tan ampliamente como colorantes

    Ejemplo resuelto. Un aminoácido tiene un punto isoeléctrico de pH 6.0. Da su carga, y el electrodo hacia el que se mueve en electroforesis, a pH 2, a pH 6.0 y a pH 11. Compara el pH de la solución con el punto isoeléctrico cada vez. A pH 2, muy por debajo de él, la solución es ácida, por lo que el $\text{–NH}_2$ gana un $\text{H}^{+}$: el aminoácido es positivo y se mueve hacia el cátodo (electrodo negativo). A pH 6.0, exactamente su punto isoeléctrico, es el zwitterión sin carga neta, por lo que no se mueve. A pH 11, muy por encima de él, el $\text{–COOH}$ pierde su $\text{H}^{+}$: el aminoácido es negativo y se mueve hacia el ánodo. Compara el pH con el punto isoeléctrico, nunca con 7 - y ten en cuenta que el zwitterión aún lleva ambas cargas, simplemente no tiene una carga neta.

    Explorar

    Ruta de fenilamina a colorante azo

    Seguir la fenilamina desde la diazotación hasta el compuesto azo coloreado.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 卤代烷 lǔ dài wán
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    amide/əˈmaɪd/ 酰胺 xiān àn
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
    ammonia/æˈməʊnɪə/ 氨 ān
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 缩合 suō hé
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 酰氯 xiān lǜ
    basicity/beɪˈsɪsɪti/ 碱性 jiǎn xìng
    phenylamine/ˌfiːˈnaɪləmiːn/ 苯胺 běn àn
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
    diazonium salt/ˌdaɪəˈzəʊnɪəm sɒlt/ 重氮盐 zhòng dàn yán
    phenol/ˈfenɒl/ 苯酚 běn fēn
    azo compound/ˈɑːzəʊ ˈkɒmpaʊnd/ 偶氮化合物 ǒu dàn huà hé wù
    dye/daɪ/ 染料 rǎn liào
    amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/ 氨基酸 ān jī suān
    34.3

    Amidas

    Syllabus
    1. Recuerda las reacciones (reactivos y condiciones) mediante las cuales se producen las amidas: (a) la reacción entre amoníaco y un cloruro de acilo a temperatura ambiente; (b) la reacción entre una amina primaria y un cloruro de acilo a temperatura ambiente
    2. Describe las reacciones de las amidas: (a) hidrólisis con base acuosa o ácido acuoso; (b) la reducción del grupo CO en las amidas con $\text{LiAlH}_4$ para formar una amina
    3. Explica y justifica por qué las amidas son bases mucho más débiles que las aminas

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Una amida se forma a partir de amoníaco o una amina primaria con un cloruro acilo a temperatura ambiente.

    A bottle of paracetamol tablets
    El paracetamol es un analgésico común que contiene el grupo amida (–CONH–)

    Sus reacciones:

    • Hidrólisis con ácido o álcali acuoso, produciendo el ácido carboxílico (o su sal) y la amina (o amonio).
    • Reducción del grupo C=O con $\text{LiAlH}_4$ para producir una amina.

    Una amida es una base mucho más débil que una amina, porque el par solitario del nitrógeno se deslocaliza sobre el grupo C=O vecino, por lo que no está disponible para aceptar un $\text{H}^+$.

    Explorar

    Ruta de formación de amida

    Seguir un cloruro de acilo o derivado ácido hasta una amida.

    34.4

    Aminoácidos

    Syllabus
    1. describir las propiedades ácido/base de los aminoácidos y la formación de zwitteriones, incluyendo el punto isoeléctrico
    2. describir la formación de enlaces amida (peptídicos) entre aminoácidos para dar lugar a di- y tri péptidos
    3. interpretar y predecir los resultados de la electroforesis en mezclas de aminoácidos y di péptidos a distintos valores de pH (no se evaluará el montaje del aparato)

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un aminoácido 氨基酸 posee tanto un grupo básico $\text{–NH}_2$ como un grupo ácido $\text{–COOH}$.

    Zwitteriones y punto isoeléctrico

    El $\text{–COOH}$ puede ceder su $\text{H}^+$ al $\text{–NH}_2$ en la misma molécula, formando un zwitterión 两性离子 ($\text{H}_3\text{N}^+\text{–CHR–COO}^-$) — un ion con extremos positivo y negativo pero sin carga global.

    • En medio ácido (pH bajo), el aminoácido gana $\text{H}^+$ y se vuelve positivo.
    • En medio alcalino (pH alto), pierde $\text{H}^+$ y se vuelve negativo.
    • En un pH especial, el punto isoeléctrico 等电点, existe mayoritariamente como zwitterión sin carga neta.
    Un aminoácido dibujado de tres formas: cargado positivamente en medio ácido, un zwitterión neutro en el punto isoeléctrico y cargado negativamente en medio alcalino
    Carga de un aminoácido según el pH: positiva en medio ácido, zwitterión neutro en el punto isoeléctrico, negativa en medio alcalino

    Puentes peptídicos

    Dos aminoácidos se unen mediante una reacción de condensación: el $\text{–COOH}$ de uno y el $\text{–NH}_2$ del otro reaccionan, perdiendo agua y formando un enlace peptídico 肽键 (un enlace amida). Dos aminoácidos dan un dipéptido 二肽; tres dan un tripeptido.

    Dos aminoácidos condensándose: el OH de un carboxilo y el H de otro grupo amino salen como agua, formando un enlace peptídico
    Dos aminoácidos se condensan: el –OH de un –COOH y el –H de otro –NH$_2$ salen como agua, formando el enlace peptídico (amida)

    Electrofóresis

    En la electrofóresis 电泳, una mezcla se coloca en un campo eléctrico a un pH elegido:

    • por encima de su punto isoeléctrico, un aminoácido es negativo y se mueve hacia el electrodo positivo.
    • por debajo de su punto isoeléctrico, es positivo y se mueve hacia el electrodo negativo.
    • en su punto isoeléctrico, no se mueve. Así, los diferentes aminoácidos se separan.
    Una tira de gel con un electrodo negativo y uno positivo: un aminoácido positivo se mueve hacia el electrodo negativo, uno negativo hacia el positivo y uno neutro permanece inmóvil
    Electrofóresis a un pH elegido: un aminoácido positivo se mueve hacia el electrodo negativo, uno negativo hacia el positivo, y uno neutro permanece — así se separan
    Explorar

    Laboratorio de aminoácidos

    Clasificar el comportamiento de los aminoácidos según el grupo que reacciona.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    zwitterion/zwɪˈtɪərɪən/ 两性离子 liǎng xìng lí zi
    isoelectric point/ˌaɪsəʊˈlektrɪk pɔɪnt/ 等电点 děng diàn diǎn
    peptide bond/ˈpeptaɪd bɒnd/ 肽键 tài jiàn
    dipeptide/ˈdaɪpptaɪd/ 二肽 èr tài
    electrophoresis/ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/ 电泳 diàn yǒng
    34.4

    Consejos para el examen

    • La fenilamina es una base más débil que las aminas alifáticas porque el par libre del N se deslocaliza en el anillo.
    • La diazotización ($\text{NaNO}_2$/HCl, por debajo de $10\ ^\circ\text{C}$) seguida de acoplamiento da colorantes azoicos — aprende las condiciones y el producto coloreado.
    • Los aminoácidos son zwitteriones (con ambos $-\text{NH}_2$ y $-\text{COOH}$), por lo que son anfotéricos; describe su comportamiento a ambos lados del punto isoeléctrico.
  • 35

    Polimerización

    Ver lección
    35.1

    Polimerización por condensación

    Syllabus
    1. describir la formación de poliésteres: (a) la reacción entre un diol y un ácido dicarboxílico o cloruro de diacilo (b) la reacción de un hidroxiácido
    2. describir la formación de poliamidas: (a) la reacción entre una diamina y un ácido dicarboxílico o cloruro de diacilo (b) la reacción de un aminoácido (c) la reacción entre aminoácidos
    3. deducir la unidad repetitiva de un polímero de condensación obtenido a partir de un monómero dado o par de monómeros
    4. identificar el/los monómero(s) presentes en una sección dada de una molécula de polímero de condensación

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En la polimerización por condensación 缩合聚合, los monómeros se unen para formar una cadena larga y se pierde una molécula pequeña (como agua o $\text{HCl}$) cada vez que se forma un nuevo enlace. Cada monómero necesita dos grupos reactivos, de modo que la cadena puede crecer en ambos extremos.

    Un grupo carboxilo uniéndose a un hidroxilo para formar un enlace éster y un grupo carboxilo uniéndose a una amina para formar un enlace amida, liberando cada uno una molécula de agua
    Enlaces de condensación: un poliéster forma enlaces éster y un poliamida forma enlaces amida; cada nuevo enlace libera una molécula pequeña (aquí, agua)

    Poliésteres

    Un poliéster 聚酯 tiene muchos enlaces éster a lo largo de su cadena. Se puede obtener a partir de:

    • un diol 二醇 (dos grupos $\text{–OH}$) y un ácido dicarboxílico 二羧酸 (dos grupos $\text{–COOH}$), o un diacil cloruro.
    • un único ácido hidroxicarboxílico, que posee tanto un grupo $\text{–OH}$ como un $\text{–COOH}$.
    Un fardo de botellas plásticas transparentes aplastadas
    Las botellas de bebidas PET están hechas de un poliéster —un polímero de condensación—, recolectadas aquí para reciclaje

    Poliamidas

    Una poliamida 聚酰胺 tiene muchos enlaces amida. Se puede obtener a partir de:

    • una diamina 二胺 (dos grupos $\text{–NH}_2$) y un ácido dicarboxílico o un diacil cloruro.
    • un único ácido aminocarboxílico, o a partir de aminoácidos 氨基酸 que se unen entre sí (las proteínas son poliamidas naturales).
    Un hilo rosado de nailon siendo extraído hacia arriba desde un vaso de precipitados, formando un hilo continuo en la superficie del líquido
    El "truco de la cuerda de nailon": el nailon (una poliamida) se forma donde se encuentran dos soluciones reactivas, permitiendo extraer un solo hilo largo (es de color rosa aquí debido a un indicador añadido)

    Unidades repetitivas y monómeros

    La unidad repetitiva 重复单元 de un polímero de condensación contiene partes de ambos monómeros, menos los átomos perdidos como parte de la molécula pequeña. Para identificar los monómeros 单体 a partir de una sección de polímero, rompa la cadena en cada enlace éster o amida, y luego vuelva a añadir $\text{–OH}$ y $\text{–H}$ (o $\text{–Cl}$).

    Una cadena de poliéster rota en sus enlaces éster y a cuyos extremos cortados se les devuelve -OH y -H, para recuperar los monómeros diol y ácido dicarboxílico
    Para encontrar los monómeros, rompa la cadena en cada enlace y vuelva a añadir –OH y –H a los extremos cortados —aquí obteniendo el diol y el ácido dicarboxílico

    Ejemplo resuelto. Una cadena polimérica contiene enlaces repetitivos $\text{–CONH–}$. Nombre el tipo de polímero, identifique los monómeros y indique la molécula pequeña perdida. Un enlace $\text{–CONH–}$ es una amida, por lo que se trata de una poliamida producida mediante condensación polimerización. Para encontrar los monómeros, rompa la cadena en cada enlace amida y devuelva los átomos a los extremos cortados: el lado del carbono toma $\text{–OH}$, formando un ácido dicarboxílico, y el lado del nitrógeno toma $\text{–H}$, formando una diamina. La molécula pequeña perdida en cada enlace es agua (o $\text{HCl}$, si se utilizó un anhidrido acílico en lugar del ácido). Cada monómero debe tener dos grupos funcionales; de lo contrario, la cadena nunca podría seguir creciendo —si el monómero que propone tiene solo uno, ha roto la cadena en el lugar incorrecto.

    Explorar

    Ruta de polimerización por condensación

    Observa cómo se unen los monómeros mientras una molécula pequeña sale cada vez.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    condensation polymerisation/kɒndenˈseɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 缩合聚合 suō hé jù hé
    polyester/ˌpɒlɪˈestə/ 聚酯 jù zhǐ
    diol/dɪˈɒl/ 二醇 èr chún
    dicarboxylic acid/ˌdɪkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 二羧酸 èr suō suān
    polyamide/ˌpɒlɪˈeɪmaɪd/ 聚酰胺 jù xiān àn
    diamine/ˈdaɪəmaɪn/ 二胺 èr àn
    amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/ 氨基酸 ān jī suān
    repeat unit/rɪˈpiːt ˈjuːnɪt/ 重复单元 chóng fù dān yuán
    monomer/ˈmɒnəʊmə/ 单体 dān tǐ
    addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 加成聚合 jiā chéng jù hé
    poly(alkene)/ˈpɒlɪ/ 聚烯烃 jù xī tīng
    35.2

    Predicción del tipo de polimerización

    Syllabus
    1. predecir el tipo de reacción de polimerización para un monómero dado o par de monómeros
    2. deducir el tipo de reacción de polimerización que produce una sección dada de una molécula de polímero

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Pista Tipo
    el monómero tiene un doble enlace C=C, y no se pierde nada más polimerización por adición 加成聚合
    cada monómero tiene dos grupos funcionales, y se pierde una molécula pequeña; la cadena tiene enlaces éster o amida polimerización por condensación
    Dos paneles comparando la polimerización por adición, donde un C=C se abre y no se pierde nada, con la polimerización por condensación, donde dos monómeros con dos grupos se unen y se pierde una molécula pequeña
    Los dos tipos de polimerización: la adición abre un C=C y no pierde nada; la condensación une monómeros con dos grupos y pierde una molécula pequeña
    Explorar

    Laboratorio de tipos de polimerización

    Clasificar monómeros según si forman polímeros de adición o de condensación.

    35.3

    Polímeros biodegradables

    Syllabus
    1. reconocer que los polialquenosos son químicamente inertes y, por lo tanto, pueden ser difíciles de biodegradar
    2. reconocer que algunos polímeros pueden degradarse por la acción de la luz
    3. reconocer que los poliésteres y las poliamidas son biodegradables mediante hidrólisis ácida y alcalina

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    • Los polialquenos 聚烯烃 son químicamente inertes —tienen solo fuertes enlaces C–C y C–H no polares—, por lo que son difíciles de biodegradar 可生物降解 y duran mucho tiempo.
    • algunos polímeros están diseñados para que la luz pueda descomponerlos (son fotodegradables).
    • los poliésteres y las poliamidas sí son biodegradables, porque sus enlaces éster y amida pueden romperse mediante hidrólisis 水解 ácida o alcalina.
    Explorar

    Ruta de polímero degradable

    Siga cómo la estructura del polímero controla su descomposición.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    biodegradable/ˌbaɪəʊdɪˈɡreɪdəbl/ 可生物降解 kě shēng wù jiàng jiě
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 水解 shuǐ jiě
    35.3

    Consejos para el examen

    • Los polímeros de condensación (poliésteres, poliamidas) se forman con la pérdida de una molécula pequeña ($\text{H}_2\text{O}$ o HCl) —dibuje la unidad repetitiva y la molécula perdida.
    • Identifique los monómeros a partir del polímero rompiendo el enlace éster o amida —pregunta habitual.
    • Prediga el tipo a partir de los monómeros: un $\text{C}=\text{C}$ indica adición; dos grupos funcionales indican condensación.
    • Los poliésteres y las poliamidas son hidrolizables (más degradables); los polímeros de adición no lo son.
  • 36

    Síntesis orgánica

    Ver lección
    36.1

    Síntesis orgánica

    Syllabus
    1. para una molécula orgánica que contiene varios grupos funcionales: (a) identificar grupos funcionales orgánicos utilizando las reacciones del programa de estudios; (b) predecir propiedades y reacciones
    2. diseñar rutas sintéticas en múltiples pasos para la preparación de moléculas orgánicas utilizando las reacciones del programa de estudios
    3. analizar una ruta sintética dada en términos del tipo de reacción y los reactivos utilizados en cada paso, así como los posibles subproductos

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Al igual que el tema de síntesis de AS, se trata de combinar reacciones conocidas para construir una molécula objetivo. Ahora también tienes las reacciones de nivel A de los arenos, fenoles, aminas, amidas y cloruros de acilo.

    Identificación de grupos funcionales

    Una molécula puede llevar varios tipos de grupos funcionales. Utiliza las reacciones de prueba para detectar cada uno y predecir su comportamiento. Por ejemplo:

    • decoloriza el agua de bromo sin catalizador, produciendo un precipitado blanco → un fenol o una anilina (el anillo está activado).
    • reacciona violentamente con agua fría, produciendo humos de $\text{HCl}$ → un cloruro de acilo.
    • produce un color púrpura con $\text{FeCl}_3$ neutro → un fenol.
    Una tabla de tres columnas de pruebas de nivel A: agua de bromo sin catalizador, agua fría y cloruro férrico neutro, con la observación y el grupo funcional para cada una
    Pruebas de identificación añadidas en Nivel A: cada reactivo da un resultado característico que apunta a un grupo funcional

    Mapa de las reacciones de nivel A

    Inicio Reactivo y condiciones Producto
    benceno (un areno) $\text{HNO}_3$ / $\text{H}_2\text{SO}_4$ (sustitución electrofílica) nitrobenceno
    nitrobenceno $\text{Sn}$ / $\text{HCl}$ concentrado, luego $\text{NaOH}$ (reducción) anilina
    anilina $\text{HNO}_2$, por debajo de $10\,°\text{C}$ una sal de diazonio
    sal de diazonio agua tibia fenol; o acoplarse con un fenol → colorante azo
    metilbenceno $\text{KMnO}_4$ caliente (oxidación) ácido benzoico
    ácido carboxílico $\text{SOCl}_2$ o $\text{PCl}_5$ cloruro de acilo
    cloruro de acilo alcohol / fenol un éster
    cloruro de acilo amoníaco / amina una amida
    amida o nitrilo $\text{LiAlH}_4$ una amina
    halogenoalcano $\text{KCN}$ un nitrilo (añade un carbono)
    Una red de reacciones de nivel A: de benceno a nitrobenceno, a anilina, a una sal de diazonio, a fenol o un colorante azo, y de un ácido carboxílico a un cloruro de acilo a ésteres y amidas
    Un mapa de las reacciones de nivel A: la cadena aromática (arriba) y la cadena de cloruro de acilo (abajo), con sus entradas. Trabaja hacia atrás desde tu objetivo.

    Planificación y análisis de una ruta

    Para diseñar una ruta sintética, trabaja hacia atrás desde el objetivo: ¿qué reacción única lo forma y a partir de qué? Repite hasta llegar al material de partida, y escribe cada paso con su reactivo y condiciones.

    Una cadena de síntesis desde benceno hasta un colorante azo, con el reactivo en cada paso hacia adelante, y una gran flecha hacia atrás arriba que muestra que la planificación va del objetivo al inicio
    Planifica una ruta trabajando hacia atrás desde el objetivo, una reacción a la vez, hasta llegar al material de partida.

    Cuando analices una ruta, indica el tipo de reacción para cada paso (por ejemplo, sustitución electrofílica, adición-eliminación, oxidación o reducción) y vigila los posibles subproductos — por ejemplo, obtener una amina a partir de un halogenoalcano también produce aminas sobre-sustituidas, reduciendo el rendimiento.

    Ejemplo resuelto. Diseña una ruta desde benceno hasta anilina, $\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$. Trabaja hacia atrás: la anilina proviene de reducir el nitrobenceno, y el nitrobenceno proviene de nitrar el benceno - así que la ruta son dos pasos. Paso 1: benceno con $\text{HNO}_3$ concentrado y $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado a $55\ °\text{C}$; la sustitución electrofílica produce nitrobenceno (mantener por debajo de $55\ °\text{C}$, o seguirá una sustitución adicional). Paso 2: reducir el nitrobenceno con estaño y $\text{HCl}$ concentrado, luego añadir $\text{NaOH}$ para liberar la amina de su sal. No existe una ruta directa - no puedes poner un grupo $\text{–NH}_2$ directamente sobre un anillo, lo cual es exactamente por qué vale la pena saberse de memoria este par de nitrar-luego-reducir.

    Explorar

    Planificador de síntesis Nivel A

    Construya una ruta haciendo coincidir los cambios de grupo funcional con los reactivos.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 官能团 guān néng tuán
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 酰氯 xiān lǜ
    phenol/ˈfenɒl/ 苯酚 běn fēn
    arene/ˈæren/ 芳烃 fāng tīng
    electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 亲电取代 qīn diàn qǔ dài
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 羧酸 suō suān
    ester/ˈestə/ 酯 zhǐ
    amine/ˈæmaɪn/ 胺 àn
    amide/əˈmaɪd/ 酰胺 xiān àn
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 腈 jīng
    synthetic route/sɪnˈθetɪk ruːt/ 合成路线 hé chéng lù xiàn
    reagent/rɪˈeɪdʒənt/ 试剂 shì jì
    addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 加成消去 jiā chéng xiāo qù
    by-product/baɪ ˈprɒdʌkt/ 副产物 fù chǎn wù
    36.1

    Consejos para el examen

    • Combina los pasos de AS y nivel A y vigila las reacciones del anillo de benceno y los cambios en el conteo de carbonos.
    • Indica cada reactivo y condición, y señala cuándo un paso produce una mezcla racémica.
    • Elige la ruta más corta que lleve al grupo funcional objetivo.
  • 37

    Técnicas analíticas

    Ver lección
    37.1

    Cromatografía en capa delgada

    Syllabus
    1. describir y comprender los términos (a) fase estacionaria, por ejemplo, óxido de aluminio (sobre un soporte sólido) (b) fase móvil: un solvente polar o no polar (c) valor $R_{\text{f}}$ (d) frente del solvente y línea base
    2. interpretar los valores de $R_{\text{f}}$
    3. explicar las diferencias en los valores de $R_{\text{f}}$ en términos de interacción con la fase estacionaria y de solubilidad relativa en la fase móvil

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Cromatografía 色谱 separa una mezcla utilizando dos "fases" —una que permanece inmóvil y otra que se mueve. En cromatografía en capa delgada 薄层色谱 (TLC):

    • la fase estacionaria 固定相 permanece inmóvil (por ejemplo, óxido de aluminio sobre una placa).
    • la fase móvil 流动相 se mueve (un disolvente polar o no polar que asciende por la placa).
    • la línea base 基线 es la línea inicial donde se colocan las manchas; el frente de disolvente 溶剂前沿 es la altura máxima que alcanza el disolvente.

    El valor $R_{\text{f}}$ compara cuánto se desplaza una mancha con respecto a cuánto se desplaza el frente de disolvente:

    $$R_{\text{f}} = \frac{\text{distance moved by the spot}}{\text{distance moved by the solvent front}}$$

    Siempre está entre 0 y 1. Una sustancia que se adhiere más fuertemente a la fase estacionaria, o que es menos soluble en la fase móvil, se desplaza menos y tiene un valor $R_{\text{f}}$ menor.

    Una placa de TLC con una línea base, un frente de disolvente y una mancha que ha avanzado parcialmente hacia arriba, con las distancias de la mancha y del disolvente marcadas
    Cromatografía en capa delgada: el valor $R_\text{f}$ es la distancia recorrida por la mancha dividida por la distancia recorrida por el frente de disolvente
    Una placa de TLC revelada brillando bajo luz ultravioleta
    Una placa de TLC real bajo luz UV: cada punto brillante es un componente separado de la mezcla
    Explorar

    Ruta de TLC

    Seguir una mancha hacia arriba en la placa y usar Rf para identificar sustancias.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    chromatography/krəʊməˈtɒɡrəfi/ 色谱 sè pǔ
    thin-layer chromatography/θɪn ˈleɪə krəʊməˈtɒɡrəfi/ 薄层色谱 báo céng sè pǔ
    stationary phase/ˈsteɪʃənəri feɪz/ 固定相 gù dìng xiāng
    mobile phase/ˈməʊbaɪl feɪz/ 流动相 liú dòng xiāng
    baseline/ˈbeɪslaɪn/ 基线 jī xiàn
    solvent front/ˈsɒlvənt frʌnt/ 溶剂前沿 róng jì qián yán
    gas/liquid chromatography/ɡæs ˈlɪkwɪd krəʊməˈtɒɡrəfi/ 气液色谱 qì yè sè pǔ
    retention time/rɪˈtenʃn taɪm/ 保留时间 bǎo liú shí jiān
    37.2

    Cromatografía gas/líquido

    Syllabus
    1. describir y comprender los términos (a) fase estacionaria; un líquido no polar de alto punto de ebullición (sobre un soporte sólido) (b) fase móvil; un gas inerte (c) tiempo de retención
    2. interpretar cromatogramas de gases/líquidos en términos del porcentaje de composición de una mezcla
    3. explicar los tiempos de retención en términos de la interacción con la fase estacionaria

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    En cromatografía gas/líquido 气液色谱 (GLC):

    • la fase estacionaria es un líquido no polar de alto punto de ebullición sobre un soporte sólido.
    • la fase móvil es un gas portador inerte.
    • el tiempo de retención 保留 tiempo es el tiempo que tarda un componente en pasar a través del sistema.

    El área de cada pico indica el porcentaje de ese componente en la mezcla. Un componente que interactúa más con la fase estacionaria tendrá un tiempo de retención más largo.

    Un cromatograma con tres picos en diferentes tiempos de retención, donde el área del pico da el porcentaje de cada componente
    Cromatograma de gas-líquido: cada componente produce un pico en su propio tiempo de retención, y el área del pico representa su porcentaje en la mezcla
    Explorar

    Ruta de cromatografía de gases/líquidos

    Seguir una muestra volátil a través de la separación en columna hasta un cromatograma.

    37.3

    Espectroscopía NMR de Carbono-13

    Syllabus
    1. analizar e interpretar un espectro de resonancia magnética nuclear de carbono-13 de una molécula simple para deducir: (a) los diferentes entornos de los átomos de carbono presentes (b) las posibles estructuras de la molécula
    2. predecir o explicar el número de picos en un espectro de resonancia magnética nuclear de carbono-13 para una molécula dada

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    NMR 核磁共振 (resonancia magnética nuclear) estudia cómo se comportan ciertos núcleos en un campo magnético fuerte.

    Un espectrómetro NMR cilíndrico y alto de pie en un laboratorio, marcado con una advertencia de campo magnético fuerte
    Un espectrómetro NMR: el gran cilindro contiene un imán superconductor que genera el campo magnético muy intenso necesario para la técnica

    En la espectroscopía NMR de carbono-13, cada entorno químico 化学环境 diferente de carbono produce un pico. Por lo tanto:

    • el número de picos indica cuántos entornos de carbono diferentes hay (los carbonos equivalentes comparten un pico).
    • la posición de cada pico (su desplazamiento químico) sugiere el tipo de carbono, lo que ayuda a deducir posibles estructuras.
    Explorar

    Laboratorio de RMN de Carbono-13

    Relacionar entornos de carbono con evidencia de C-13 NMR.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    NMR/ˌen em ˈɑː/ 核磁共振 hé cí gòng zhèn
    chemical environment/ˈkemɪkl enˈvaɪrənmənt/ 化学环境 huà xué huán jìng
    37.4

    Espectroscopía NMR de Protones (¹H)

    Syllabus
    1. analizar e interpretar un espectro de RMN de protón ($^1\text{H}$) de una molécula simple para deducir: (a) los diferentes entornos de los protones presentes mediante los valores de desplazamiento químico (b) las cantidades relativas de cada tipo de protón presente a partir de las áreas relativas de los picos (c) el número de protones equivalentes en el átomo de carbono adyacente al que está unido el protón dado, a partir del patrón de splitting, utilizando la regla $n + 1$ (limitado a singulete, doblete, triplete, cuartete y multiplete) (d) las posibles estructuras para la molécula
    2. predecir los desplazamientos químicos y los patrones de splitting de los protones en una molécula dada
    3. describir el uso del tetrametilsilano, TMS, como patrón estándar para las mediciones de desplazamiento químico
    4. indicar la necesidad de disolventes deuterados, por ejemplo, $\text{CDCl}_3$, al obtener un espectro de RMN de protón
    5. describir la identificación de protones O–H y N–H mediante intercambio de protón usando $\text{D}_2\text{O}$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La espectroscopía NMR de protones analiza los átomos de hidrógeno (protones 质子 núcleos). Del espectro se obtienen:

    • entornos químicos: los protones en diferentes entornos aparecen en valores de desplazamiento químico 化学位移 distintos.
    • números relativos: las áreas relativas de los picos dan la proporción de cada tipo de protón.
    • acoplamiento 裂分: un pico se divide debido a los protones del carbono vecino, siguiendo la regla $n+1$ — $n$ vecinos equivalentes dividen un pico en $n+1$ líneas:
    Vecinos ($n$) Patrón
    0 singlete 单峰
    1 doblete 双峰
    2 triplete 三峰
    3 cuarteto 四峰
    muchos multiplete 多重峰
    Cuatro patrones de picos NMR: una sola línea, dos líneas, tres líneas y cuatro líneas, etiquetados como singlete, doblete, triplete y cuarteto
    La regla $n+1$: $n$ protones vecinos equivalentes dividen un pico en $n+1$ líneas (singlete, doblete, triplete, cuarteto)
    Un espectro NMR de protones del etanol con tres grupos de picos: un triplete CH3, un cuarteto CH2 y un singlete OH, además de la referencia TMS en cero
    NMR de protones del etanol: tres entornos producen un triplete CH$_3$ triplet, a CH$_2$ quartet and an OH singlet, with areas in the ratio $3:2:1$

    Puntos prácticos

    • La tetramilsilano 四甲基硅烷 (TMS) es el estándar, fijado en un desplazamiento químico de $0$.
    • Se utiliza un disolvente deuterado 氘代溶剂 (como $\text{CDCl}_3$) para que el propio disolvente no produzca señal de protones.
    • Agitar la muestra con $\text{D}_2\text{O}$ hace que desaparezcan los picos O–H y N–H (su hidrógeno es intercambiado por deuterio), lo que permite identificar esos protones.

    Ejemplo resuelto. Un compuesto $\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$ presenta tres picos en el NMR de protones: un triplete en $\delta\ 1.2$ (área 3), un cuarteto en $\delta\ 4.1$ (área 2) y un singlete en $\delta\ 2.0$ (área 3). Deduce la estructura. Lee primero las áreas y luego el acoplamiento. Las áreas $3:2:3$ indican tres entornos de protones que contienen 3, 2 y 3 hidrógenos respectivamente. Aplica la regla $n+1$ a la inversa: un triplete (área 3) corresponde a un $\text{CH}_3$ con 2 vecinos, y un cuarteto (área 2) corresponde a un $\text{CH}_2$ con 3 vecinos —se dividen mutuamente, lo cual es característico de un grupo etilo, $\text{CH}_3\text{CH}_2-$. Dado que ese $\text{CH}_2$ aparece tan desprotegido en $\delta\ 4.1$, está unido a un oxígeno. El singlete restante (área 3) es un $\text{CH}_3$ con ningún vecino en $\delta\ 2.0$, por lo que se sitúa junto al C=O. Juntos: $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, acetato de etilo. Un par de triplete-cuarteto casi siempre indica un grupo etilo; identifícalo primero y el resto se deduce fácilmente.

    Explorar

    Laboratorio de RMN de Protón

    Emparejar evidencia de protones con entorno químico y vecinos.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
    chemical shift/ˈkemɪkl ʃɪft/ 化学位移 huà xué wèi yí
    splitting/ˈsplɪtɪŋ/ 裂分 liè fēn
    singlet/ˈsɪŋɡlɪt/ 单峰 dān fēng
    doublet/ˈdʌblət/ 双峰 shuāng fēng
    triplet/ˈtrɪplɪt/ 三峰 sān fēng
    quartet/kwɔːˈtet/ 四峰 sì fēng
    multiplet/ˈmʌltɪplɪt/ 多重峰 duō zhòng fēng
    tetramethylsilane/ˈtetrəmiːθɪlsɪleɪn/ 四甲基硅烷 sì jiǎ jī guī wán
    deuterated solvent/ˈdjuːtəreɪtɪd ˈsɒlvənt/ 氘代溶剂 dāo dài róng jì
    37.4

    Consejos para exámenes

    • En el NMR de $^{13}\text{C}$, el número de picos es igual al número de entornos de carbono; usa la simetría para contarlos.
    • En el NMR de $^1\text{H}$, utiliza el desplazamiento químico (folleto de datos), la integración (proporción de H) y el acoplamiento (regla $n+1$): un triplete + cuarteto significa un grupo etilo.
    • El TMS es la referencia ($\delta = 0$); una prueba con $\text{D}_2\text{O}$ elimina los picos O-H y N-H.
    • Combina IR, espectrometría de masas y NMR para deducir una estructura, especificando qué evidencia corresponde a cada característica.

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