Redox en compuestos orgánicos y bioenergética
Dejaste una botella de vino abierta en la mesada durante semanas y, al probarlo, está agrio: se hizo vinagre. Cuando encendés la hornalla, el gas de la garrafa arde y calienta la pava. Las dos situaciones son reacciones redox de compuestos del carbono. En esta página vas a ver qué cambia en la molécula en cada caso y cómo se relaciona con la energía que usa una usina eléctrica y con la que usa tu propio cuerpo. Al final volvemos al vino.
Oxidación y reducción del carbono
En química orgánica no siempre se ven electrones moviéndose, pero igual se puede reconocer una oxidación mirando qué le pasa al carbono. Una forma práctica es fijarse en el número de oxidación (NO) del carbono que cambia:
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Cada enlace con O (más electronegativo) le suma $+1$ al carbono.
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Cada enlace con H (menos electronegativo) le resta $1$.
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Los enlaces con otro carbono no cuentan.
Por ejemplo, en el metano el carbono tiene 4 enlaces con H: NO $= -4$. En el dióxido de carbono tiene 4 enlaces con O: NO $= +4$. Entre los dos extremos hay pasos intermedios.
Combustión: la oxidación más completa
En la combustión completa de un alcano, todo el carbono llega al máximo de oxidación y el hidrógeno forma agua. Para el metano del gas natural:
$$CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$El carbono pasa de $-4$ a $+4$: se oxida. El oxígeno pasa de $0$ a $-2$: se reduce. El metano es el combustible (reductor) y el $O_2$, el comburente (oxidante). La reacción libera mucha energía como calor.
La combustión completa del metano se representa con la ecuación $CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O$. Indicá si se trata de una reacción de oxidación o de…
La combustión completa del metano se representa con la ecuación $CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O$. Indicá si se trata de una reacción de oxidación o de reducción del metano, y nombrá los productos que se forman.
Alcoholes y aldehídos: oxidación por etapas
Los alcoholes no se queman de golpe: con un oxidante moderado (permanganato, dicromato, o las enzimas de las bacterias del vinagre) se oxidan por etapas. Para escribirlo usamos $[O]$ como símbolo del agente oxidante, sin detallar cuál es.
Depende de cuántos H tiene el carbono que lleva el $-OH$:
| Alcohol | Primera oxidación | Si sigue oxidándose |
|---|---|---|
| Primario ($-CH_2OH$) | aldehído ($-CHO$) | ácido carboxílico ($-COOH$) |
| Secundario ($>CHOH$) | cetona ($>C=O$) | no sigue (sin romper la cadena) |
| Terciario ($\geq C-OH$) | no se oxida en estas condiciones | – |
Fijate en el carbono funcional: en cada paso gana enlaces con O y pierde enlaces con H, así que su NO sube de $-1$ a $+1$ y a $+3$.
Por qué el aldehído se oxida fácil
El aldehído tiene un H unido al carbono del grupo carbonilo, y ese H se reemplaza fácilmente por un $-OH$ (da el ácido). La cetona no tiene ese H: para oxidarse tendría que romperse un enlace C–C, y eso necesita condiciones mucho más fuertes. Por eso un aldehído es un buen reductor y una cetona casi no lo es.
Un alcohol primario, como el etanol, puede oxidarse en forma controlada. Indicá qué tipo de compuesto se obtiene en una primera oxidación y cuál se obtiene si la…
Un alcohol primario, como el etanol, puede oxidarse en forma controlada. Indicá qué tipo de compuesto se obtiene en una primera oxidación y cuál se obtiene si la oxidación continúa. Escribí los nombres de los compuestos en el caso del etanol.
Escribí la ecuación de oxidación del etanal ($CH_3CHO$) a ácido etanoico usando $[O]$ para representar el agente oxidante. Luego explicá qué cambio se produce en el…
Escribí la ecuación de oxidación del etanal ($CH_3CHO$) a ácido etanoico usando $[O]$ para representar el agente oxidante. Luego explicá qué cambio se produce en el grupo funcional y por qué un aldehído se oxida con más facilidad que una cetona.
Hidrogenación: la reducción de alquenos y alquinos
El camino inverso a la oxidación es la reducción: el compuesto gana hidrógeno. La más importante a este nivel es la hidrogenación de los hidrocarburos insaturados: se agrega $H_2$ a un enlace doble o triple, con un catalizador metálico (platino, paladio o níquel) que acelera la reacción.
$$CH_2{=}CH_2 + H_2 \xrightarrow{\text{Pt, Pd o Ni}} CH_3{-}CH_3$$Lo que pasa en la molécula: el enlace doble se «abre» (pasa a simple) y cada carbono recibe un H. El carbono pasa de NO $= -2$ en el eteno a $-3$ en el etano: se reduce. El $H_2$ es el agente reductor, porque se oxida de $0$ a $+1$.
Con un alquino el triple enlace puede hidrogenarse en dos etapas:
$$R{-}C{\equiv}C{-}R' \xrightarrow{+H_2} R{-}CH{=}CH{-}R' \xrightarrow{+H_2} R{-}CH_2{-}CH_2{-}R'$$Si hay exceso de $H_2$, se llega hasta el alcano. Por eso hacen falta 2 mol de $H_2$ por cada mol de alquino: uno por cada enlace $\pi$ que se convierte en enlaces C–H.
Se hace reaccionar eteno con hidrógeno en presencia de un catalizador metálico, según $CH_2{=}CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3{-}CH_3$. Nombrá este tipo de reacción e indicá…
Se hace reaccionar eteno con hidrógeno en presencia de un catalizador metálico, según $CH_2{=}CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3{-}CH_3$. Nombrá este tipo de reacción e indicá qué ocurre con el enlace doble entre los carbonos.
Joaquín hidrogena completamente el propino ($CH_3{-}C{\equiv}CH$) con exceso de hidrógeno. Escribí la ecuación con las fórmulas semidesarrolladas, nombrá el producto…
Joaquín hidrogena completamente el propino ($CH_3{-}C{\equiv}CH$) con exceso de hidrógeno. Escribí la ecuación con las fórmulas semidesarrolladas, nombrá el producto final y explicá por qué se necesitan dos moles de $H_2$ por cada mol de alquino.
Ordenar compuestos por su grado de oxidación
Con todo lo anterior podés armar una «escalera» para cualquier cadena carbonada: de un hidrocarburo saturado hasta el ácido carboxílico, cada escalón es una oxidación del carbono terminal.
| Compuesto de 3 C | Grupo | NO del carbono funcional |
|---|---|---|
| Propano | $-CH_3$ | $-3$ |
| Propan-1-ol | $-CH_2OH$ | $-1$ |
| Propanal | $-CHO$ | $+1$ |
| Ácido propanoico | $-COOH$ | $+3$ |
Subir un escalón es oxidar (con $[O]$); bajar es reducir (con $H_2$ y un catalizador, o un reductor adecuado). El oxidante más habitual de todos es el $O_2$ del aire.
Comparás tres compuestos de tres carbonos: propano, propan-1-ol y propanal. Ordenalos de menor a mayor grado de oxidación del carbono funcional, y explicá qué reacciones…
Comparás tres compuestos de tres carbonos: propano, propan-1-ol y propanal. Ordenalos de menor a mayor grado de oxidación del carbono funcional, y explicá qué reacciones de oxidación permiten pasar de uno a otro. Escribí las ecuaciones usando $[O]$ y señalá cuál de estos compuestos podría seguir oxidándose hasta un ácido carboxílico.
Redox y energía: usinas y células
Una reacción redox con un combustible reducido (rico en H) y un oxidante como el $O_2$ libera energía química. Lo que cambia es cómo se aprovecha.
La usina termoeléctrica
En una usina que quema gas natural (casi todo metano), la energía se transforma en cadena:
La combustión (redox) libera calor, el calor produce vapor, el vapor mueve una turbina y la turbina mueve un generador. Los electrones del combustible no viajan por los cables: la energía química pasa primero a calor. Parte se pierde en cada paso, por eso el rendimiento total ronda un valor bastante menor al 100 %.
La célula: una combustión «en cámara lenta»
En las mitocondrias pasa algo parecido, pero controlado. La glucosa ($C_6H_{12}O_6$) se oxida hasta $CO_2$ y el oxígeno ($O_2$), que es el agente oxidante final, se reduce hasta $H_2O$:
$$C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \rightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O$$Es el mismo balance global que una combustión. La diferencia es el camino: en la fosforilación oxidativa, los electrones que salen de la glucosa pasan por una cadena de proteínas, y en cada paso sueltan un poco de energía, que se usa para fabricar ATP, la «moneda» energética de la célula. Así casi no se libera calor de golpe.
| Usina | Mitocondria | |
|---|---|---|
| Combustible | gas natural (metano) | glucosa |
| Oxidante final | $O_2$ | $O_2$ |
| Productos | $CO_2$ y $H_2O$ | $CO_2$ y $H_2O$ |
| Forma útil de la energía | electricidad (vía calor y turbina) | ATP (vía gradiente de protones) |
| Pasos | una reacción violenta | muchos pasos graduales |
En una usina termoeléctrica se quema gas natural, formado principalmente por metano, para generar electricidad. Describí la secuencia de transformaciones de energía…
En una usina termoeléctrica se quema gas natural, formado principalmente por metano, para generar electricidad. Describí la secuencia de transformaciones de energía desde el combustible hasta la electricidad que llega a una casa de Rosario, e indicá en qué etapa ocurre la reacción redox.
En las mitocondrias, la fosforilación oxidativa transfiere electrones a través de una cadena de proteínas hasta el oxígeno, y la energía liberada se usa para sintetizar…
En las mitocondrias, la fosforilación oxidativa transfiere electrones a través de una cadena de proteínas hasta el oxígeno, y la energía liberada se usa para sintetizar ATP. Compará este proceso con el funcionamiento de una usina que genera electricidad a partir de un combustible, analizando qué tienen en común y en qué se diferencian las conversiones entre energía química y energía eléctrica o utilizable. Indicá quién actúa como agente oxidante final en la célula y qué ocurre con la glucosa desde el punto de vista redox.
Volvé al principio: el vino se hace vinagre porque el etanol se oxida a etanal y luego a ácido etanoico, y el gas de la garrafa arde porque el metano (o el propano y el butano) se oxida hasta $CO_2$ y agua liberando calor.