Paul Flowers; Klaus Theopold; Richard Langley; William R. Robinson, PhD

20.1 Hidrocarburos

1.

Escriba la fórmula química y la estructura de Lewis de los siguientes elementos, cada uno de los cuales contiene cinco átomos de carbono:

(a) un alcano

(b) un alqueno

(c) un alquino

2.

¿Cuál es la diferencia entre la hibridación de los orbitales de valencia de los átomos de carbono en los hidrocarburos saturados e insaturados?

3.

A nivel microscópico, ¿en qué se diferencia la reacción del bromo con un hidrocarburo saturado de su reacción con un hidrocarburo insaturado? ¿En qué se parecen?

4.

A nivel microscópico, ¿en qué se diferencia la reacción del bromo con un alqueno de su reacción con un alquino? ¿En qué se parecen?

5.

Explique por qué los alquenos no ramificados pueden formar isómeros geométricos, mientras que los alcanos no ramificados no. ¿Esta explicación se refiere al ámbito macroscópico o al microscópico?

6.

Explique por qué estas dos moléculas no son isómeras:

Se muestran dos fórmulas estructurales. En la primera, se muestra una cadena de seis átomos de carbono con un único doble enlace entre los carbonos dos y tres contando de derecha a izquierda a través de la molécula, con doce átomos de H enlazados en total. Los átomos de H están enlazados en cada extremo de la molécula, así como en la parte superior. Los átomos de H también están enlazados por debajo de todos los átomos de C, excepto los que participan en el doble enlace. En la segunda estructura, se muestra una cadena de hidrocarburos de cinco átomos de C conectados por enlaces simples. Un único C con tres átomos de H unidos está enlazado por debajo del segundo carbono contando de derecha a izquierda a través de la molécula.

7.

Explique por qué estas dos moléculas no son isómeras:

Se muestran dos fórmulas estructurales. En la primera, se muestra una cadena horizontal de hidrocarburos, formada por seis átomos de C unidos por enlaces simples. Cada átomo de C tiene un átomo de H enlazado por encima y por debajo. Los dos átomos de C en cada extremo de la cadena tienen un tercer átomo de H enlazado a ellos. En la segunda estructura, se muestra una cadena horizontal de hidrocarburos compuesta por cinco átomos de C conectados por enlaces simples, con un sexto átomo de C unido por enlace simple debajo del átomo de C más a la derecha. El primer átomo de C (de izquierda a derecha) tiene tres átomos de H enlazados. El segundo átomo de C tiene dos átomos de H enlazados a este. El tercer átomo de C tiene dos átomos de H enlazados. El cuarto átomo de C tiene dos átomos de H enlazados. El quinto átomo de C tiene dos átomos de H enlazados. El átomo de C enlazado por debajo del quinto átomo de C tiene tres átomos de H enlazados.

8.

¿Cómo cambia la hibridación carbono-átomo cuando se prepara el polietileno a partir del etileno?

9.

Escriba la estructura de Lewis y la fórmula molecular de cada uno de los siguientes hidrocarburos:

(a) hexano

(b) 3-metilpentano

(c) cis-3-hexeno

(d) 4-metil-1-penteno

(e) 3-hexino

(f) 4-metil-2-pentino

10.

Escriba la fórmula química, la fórmula condensada y la estructura de Lewis de cada uno de los siguientes hidrocarburos:

(a) heptano

(b) 3-metilhexano

(c) trans-3-hepteno

(d) 4-metil-1-hexeno

(e) 2-heptino

(f) 3,4-dimetil-1-pentino

11.

Indique el nombre completo de la IUPAC para cada uno de los siguientes compuestos:

(a) CH₃CH₂CBr₂CH₃

(b) (CH₃)₃CCl

(c)

Esta estructura muestra una cadena de hidrocarburos compuesta por C H subíndice 3 C H subíndice 2 C H subíndice 3 con un grupo C H subíndice 3 unido debajo del segundo átomo C contando de izquierda a derecha.

(d) ${CH}_{3} {CH}_{2} C \equiv {CH CH}_{3} {CH}_{2} C \equiv CH$

(e)

Esta estructura muestra una cadena horizontal compuesta por C H subíndice 3 C F C H subíndice 2 C H subíndice 2 C H subíndice 2 C H subíndice 3 con un C H subíndice 2 C H triple enlace CH unido debajo del segundo átomo de C de izquierda a derecha.

(f)

Esta estructura muestra dos átomos de C doblemente enlazados con C l unidos a la parte superior izquierda, C H subíndice 3 unido a la parte inferior derecha, y átomos de H unidos a la parte superior derecha e inferior izquierda de la estructura.

(g) ${({CH}_{3})}_{2} {CHCH}_{2} CH = {CH}_{2}$

12.

Indique el nombre completo de la IUPAC para cada uno de los siguientes compuestos:

(a) (CH₃)₂CHF

(b) CH₃CHClCHClCH₃

(c)

Esta estructura muestra una cadena de hidrocarburos compuesta por C H subíndice 3 C H CH subíndice 3 con un grupo C H subíndice 2 C H subíndice 3 unido debajo del segundo átomo C contando de izquierda a derecha.

(d) ${CH}_{3} {CH}_{2} CH = {CHCH}_{3}$

(e)

Esta estructura muestra una cadena de hidrocarburos compuesta por un grupo C H subíndice 3 C H subíndice 2 C H subíndice 2 C H B r C H subíndice 2 C H subíndice 3 con un grupo C H subíndice 2 C H doble enlace C H subíndice 2 unido debajo del segundo átomo C de izquierda a derecha.

(f) ${({CH}_{3})}_{3} {CCH}_{2} C \equiv CH$

13.

El butano se utiliza como combustible en los encendedores desechables. Escriba la estructura de Lewis para cada isómero del butano.

14.

Escriba las estructuras de Lewis y nombre los cinco isómeros estructurales del hexano.

15.

Escriba las estructuras de Lewis para los isómeros cis-trans de ${CH}_{3} CH = CHCl.$

16.

Escriba las estructuras de los tres isómeros del hidrocarburo aromático xileno, C₆H₄(CH₃)₂.

17.

Isooctano es el nombre común del isómero de C₈H₁₈ utilizado como el patrón de 100 para el octanaje de la gasolina:

La estructura molecular que se muestra de los hidrocarburos comprende C H subíndice 3 C H C H subíndice 2 C C H subíndice 3. Hay un grupo C H subíndice 3 enlazado al segundo átomo de C de la cadena (de izquierda a derecha). Hay dos grupos C H subíndice 3 enlazados por encima y por debajo del cuarto átomo de C de la cadena.

(a) ¿Cuál es el nombre de la IUPAC del compuesto?

(b) Designe los otros isómeros que contienen una cadena de cinco carbonos con tres sustituyentes de metilo.

18.

Escriba las estructuras de Lewis y los nombres de la IUPAC para los isómeros alquinos de C₄H₆.

19.

Escriba las estructuras de Lewis y los nombres de la IUPAC de todos los isómeros de C₄H₉Cl.

20.

Designe y escriba las estructuras de todos los isómeros de los grupos propilo, butilo y alquilo.

21.

Escriba las estructuras de todos los isómeros del grupo alquilo –C₅H₁₁.

22.

Escriba las estructuras de Lewis y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono de los siguientes compuestos:

(a) cis-3-hexeno

(b) cis-1-cloro-2-bromoeteno

(c) 2-pentino

(d) trans-6-etil-7-metil-2-octeno

23.

El benceno es uno de los compuestos que se utilizan como potenciador del octanaje en la gasolina sin plomo. Se fabrica mediante la conversión catalítica del acetileno en benceno:
$3 C_{2} H_{2} ⟶ C_{6} H_{6}$

Dibuje las estructuras de Lewis para estos compuestos, con estructuras de resonancia según corresponda, y determine la hibridación de los átomos de carbono en cada uno.

24.

El teflón se prepara mediante la polimerización del tetrafluoroetileno. Escriba la ecuación que describe la polimerización mediante los símbolos de Lewis.

25.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

(a) 1 mol de 1-buteno reacciona con 2 mol de yodo.

(b) El pentano se quema en el aire.

26.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

(a) El 2-buteno reacciona con el cloro.

(b) El benceno arde en el aire.

27.

¿Qué masa de 2-bromopropano podría prepararse a partir de 25,5 g de propeno? Suponga un rendimiento del 100 % del producto.

28.

El acetileno es un ácido muy débil; sin embargo, reacciona con el óxido de plata(I) húmedo y forma agua y un compuesto de plata y carbono. La adición de una solución de HCl a una muestra de 0,2352 g del compuesto de plata y carbono produjo acetileno y 0,2822 g de AgCl.

(a) ¿Cuál es la fórmula empírica del compuesto de plata y carbono?

(b) La producción de acetileno al añadir HCl al compuesto de plata y carbono sugiere que el carbono está presente como ion de acetiluro, $C_{2}^{2−}$ . Escriba la fórmula del compuesto que muestra el ion de acetiluro.

29.

El etileno se produce mediante la pirólisis del etano:
$C_{2} H_{6} ⟶ C_{2} H_{4} + H_{2}$

¿Cuántos kilogramos de etileno se producen por la pirólisis de 1,000 $\times$ 10³ kg de etano, suponiendo un rendimiento del 100,0 %?

20.2 Alcoholes y éteres

30.

¿Por qué los compuestos hexano, hexanol y hexeno tienen nombres tan parecidos?

31.

Escriba las fórmulas condensadas y proporcione los nombres de la IUPAC de los siguientes compuestos:

(a) alcohol etílico (en bebidas)

(b) alcohol metílico (utilizado como disolvente, por ejemplo, en la goma laca)

(c) etilenglicol (anticongelante)

(d) alcohol isopropílico (utilizado para las fricciones)

(e) glicerina

32.

Indique el nombre completo de la IUPAC para cada uno de los siguientes compuestos:

(a)

Esto muestra un grupo C H subíndice 3 enlazado a un grupo C H. El átomo de C en el grupo C H está enlazado hacia arriba a un grupo O H. El C del grupo C H también está enlazado hacia abajo a un grupo C H subíndice 2. El grupo C H subíndice 2 está enlazado hacia abajo a un grupo C H subíndice 3.

(b)

Esto muestra un grupo C H subíndice 3 enlazado a un átomo de C. El átomo de C está enlazado a un grupo O H y a un átomo I. También está enlazado a un segundo átomo de C. Este segundo átomo de C está enlazado por encima y por debajo a un grupo C H subíndice 3. El segundo átomo de C está enlazado a un grupo C H subíndice 2 que está enlazado a un grupo C H subíndice 3.

(c)

Esto muestra un grupo C H subíndice 3 enlazado a un grupo C H. El átomo de C del grupo C H está enlazado a un grupo O H. El grupo C H está enlazado a un átomo de C. El átomo de C está enlazado por debajo a un átomo de C l y por encima a un grupo de C H subíndice 2. El átomo de C del grupo C H subíndice 2 también está enlazado a un grupo C H subíndice 3. El átomo de C también está enlazado a un grupo C H subíndice 2 a la derecha. Este grupo C H subíndice 2 está enlazado a otro grupo C H subíndice 2. Debajo de este segundo grupo C H subíndice 2 se enlaza un grupo C H subíndice 3.

33.

Indique el nombre completo de la IUPAC y el nombre común de cada uno de los siguientes compuestos:

(a)

(b)

(c)

34.

Escriba las estructuras condensadas de ambos isómeros con la fórmula C₂H₆O. Marque el grupo funcional de cada isómero.

35.

Escriba las estructuras condensadas de todos los isómeros con la fórmula C₂H₆O₂. Marque el grupo funcional (o los grupos) de cada isómero.

36.

Dibuje las fórmulas condensadas de cada uno de los siguientes compuestos:

(a) éter dipropílico

(b) 2,2-dimetil-3-hexanol

(c) 2-etoxibutano

37.

El MTBE, metil tert-butil éter, CH₃OC(CH₃)₃, se utiliza como fuente de oxígeno en las gasolinas oxigenadas. El MTBE se forma mediante la reacción del 2-metilpropeno con el metanol.

(a) Utilizando las estructuras de Lewis, escriba la ecuación química que representa la reacción.

(b) ¿Qué volumen de metanol, de densidad 0,7915 g/mL, se necesita para producir exactamente 1.000 kg de MTBE, suponiendo un rendimiento del 100 %?

38.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

(a) el propanol se convierte en éter dipropílico.

(b) el propeno se trata con agua en ácido diluido.

39.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

(a) El 2-buteno se trata con agua en ácido diluido.

(b) el etanol se deshidrata para producir eteno.

20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres

40.

Ordene las siguientes moléculas de menor a mayor oxidación, con base en el átomo de carbono marcado:

La estructura a muestra un grupo C H subíndice 3 enlazado hacia arriba y hacia la derecha a un grupo C H que está enlazado hacia abajo y hacia la izquierda a un grupo C H subíndice 3. Por encima del grupo C H se enlaza un grupo O H. El átomo de C del grupo C H está en rojo. La estructura b muestra un grupo C H subíndice 3 enlazado hacia arriba y hacia la derecha a un grupo C H subíndice 2 que está enlazado hacia abajo y hacia la derecha a un grupo C H subíndice 3. El átomo de C del grupo C H subíndice 2 está en rojo. La estructura c muestra un grupo C H subíndice 3 enlazado hacia arriba y a la derecha a un átomo de C rojo. Este átomo de C forma un doble enlace con un átomo de O por encima de este. El átomo de C también forma un enlace con un grupo C H subíndice 3 abajo y a la derecha.

41.

Prediga los productos de la oxidación de las moléculas que se señalan en este problema. En cada caso, identifique el producto que resultará del mínimo aumento del estado de oxidación para el átomo de carbono resaltado.

(a)

Se muestra el lado izquierdo de una reacción y la flecha. La flecha está marcada con una O entre corchetes. A la izquierda de la flecha hay una estructura molecular. Muestra un grupo C H subíndice 3 que se enlaza hacia arriba y a la derecha con un grupo C H subíndice 2. El grupo C H subíndice 2 forma un enlace hacia abajo y a la izquierda con un átomo de C. Este átomo de C aparece en rojo y forma un doble enlace con un átomo de O y un enlace simple con un átomo de H.

(b)

(c)

42.

Prediga los productos de la reducción de las siguientes moléculas. En cada caso, identifique el producto que resultará de la mínima disminución del estado de oxidación para el átomo de carbono resaltado:

(a)

Se muestra el lado izquierdo de una reacción y la flecha. La flecha está marcada con una R entre corchetes. A la izquierda de la flecha hay una estructura molecular que muestra un átomo de C central, de color rojo. Este átomo de C está enlazado a un grupo C H subíndice 3, y a un átomo de H, y a un átomo de O. Forma un doble enlace con el átomo de O.

(b)

(c)

43.

Explique por qué no es posible preparar una cetona que contenga solamente dos átomos de carbono.

44.

¿Cómo cambia la hibridación del átomo de carbono sustituido cuando un alcohol se convierte en un aldehído? ¿Un aldehído a un ácido carboxílico?

45.

Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos que tienen largas cadenas de hidrocarburos unidas a un grupo carboxilato. ¿En qué se diferencia el ácido graso saturado del insaturado? ¿En qué se parecen?

46.

Escriba una fórmula estructural condensada, como CH₃CH₃, y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono.

(a) propeno

(b) 1-butanol

(c) etil propil éter

(d) cis-4-bromo-2-hepteno

(e) 2,2,3-trimetilhexano

(f) formaldehído

47.

Escriba una fórmula estructural condensada, como CH₃CH₃, y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono.

(a) 2-propanol

(b) acetona

(c) dimetil éter

(d) ácido acético

(e) 3-metil-1-hexeno

48.

El ácido butírico, CH₃CH₂CH₂CO₂H, causa el hedor de la mantequilla rancia.

(a) Dibuje la estructura de Lewis y determine el número de oxidación y la hibridación por cada átomo de carbono de la molécula.

(b) Los ésteres formados a partir del ácido butírico son compuestos de olor agradable que se encuentran en las frutas y se utilizan en los perfumes. Dibuje la estructura de Lewis para el éster formado a partir de la reacción del ácido butírico con el 2-propanol.

49.

Escriba las estructuras de dos resonancias para el ion de acetato.

50.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

(a) El etanol reacciona con el ácido propiónico.

(b) Se añade ácido benzoico, C₆H₅CO₂H, a una solución de hidróxido de sodio.

51.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

(a) El 1-butanol reacciona con el ácido acético.

(b) Se vierte ácido propiónico sobre carbonato cálcico sólido.

52.

Los rendimientos en las reacciones orgánicas a veces son bajos. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de un proceso que produce 13,0 g de acetato de etilo a partir de 10,0 g de H₃CO₂H?

53.

Los alcoholes A, B y C tienen todos la composición C₄H₁₀O. Las moléculas de alcohol A contienen una cadena de carbono ramificada y pueden oxidarse a un aldehído; las moléculas de alcohol B contienen una cadena de carbono lineal y pueden oxidarse a una cetona, y las moléculas de alcohol C no pueden oxidarse ni a un aldehído ni a una cetona. Escriba las estructuras de Lewis de estas moléculas.

20.4 Aminas y amidas

54.

Escriba las estructuras de Lewis de ambos isómeros con la fórmula C₂H₇N.

55.

¿Cuál es la estructura molecular del átomo de nitrógeno en la trimetil amina y en el ion de trimetil amonio, (CH₃)₃NH⁺? ¿Cuál es la hibridación del átomo de nitrógeno en la trimetil amina y en el ion de trimetil amonio?

56.

Escriba las dos estructuras de resonancia para el ion de piridinio, C₅H₅NH⁺.

57.

Dibuje las estructuras de Lewis para la piridina y su ácido conjugado, el ion de piridinio, C₅H₅NH⁺. ¿Cuáles son las hibridaciones, las geometrías de dominios de electrones y las geometrías moleculares de los átomos de nitrógeno en la piridina y en el ion de piridinio?

58.

Escriba las estructuras de Lewis de todos los isómeros con la fórmula C₃H₇ON que contienen un enlace amida.

59.

Escriba dos ecuaciones balanceadas completas para la siguiente reacción: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

Se añade amina de metilo a una solución de HCl.

60.

Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis.

Se añade cloruro de etilamonio a una solución de hidróxido de sodio.

61.

Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio de hibridación durante las reacciones en el Ejercicio 20.26.

62.

Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio en la hibridación durante las reacciones en el Ejercicio 20.39.

63.

Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio en la hibridación durante las reacciones en el Ejercicio 20.51.

Ejercicios

20.1 Hidrocarburos

20.2 Alcoholes y éteres

20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres

20.4 Aminas y amidas