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Secundaria 6° · Química
Síntesis y obtención de sustancias orgánicas · Obtención y aplicaciones de sustancias orgánicas

Obtención de sustancias orgánicas oxigenadas

En Cochabamba, la chicha de maíz se deja reposar varios días en una tinaja. Al destaparla aparece espuma, un olor penetrante y burbujas. Con el tiempo, la misma bebida puede volverse vinagre. ¿Qué reacciones ocurren? ¿Y cuántos gramos de alcohol, ácido o éster se obtienen a partir de una cantidad dada de materia prima? Eso es lo que resolvemos en este apartado.

Fermentación alcohólica

Los azúcares del maíz, de la uva o de la caña no se convierten en alcohol por sí solos. Lo hacen las levaduras, hongos microscópicos que obtienen energía del azúcar en ausencia de aire. Lo que sobra para ellas (etanol y dióxido de carbono) es lo que aprovechamos.

Los datos que se observan son tres: el azúcar desaparece, aparece etanol (por eso la bebida "tiene grado") y se desprenden burbujas de gas ($\text{CO}_2$). Todo esto se resume en una ecuación.

Comprueba que está balanceada: a la izquierda hay 6 C, 12 H y 6 O. A la derecha hay 4 C + 2 C = 6 C, 12 H (2 · 6) y 2 O + 4 O = 6 O. Los átomos se conservan.

Este es el proceso detrás de la chicha, del vino y del singani de Tarija (que luego se destila), y de la obtención de alcohol a partir de la caña en los ingenios azucareros de la zafra cruceña.

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En una unidad educativa del Valle de Cochabamba, un grupo de estudiantes prepara chicha de maíz y observa que, al fermentar, el azúcar se transforma en etanol y se…

En una unidad educativa del Valle de Cochabamba, un grupo de estudiantes prepara chicha de maíz y observa que, al fermentar, el azúcar se transforma en etanol y se desprende gas. Escribe la ecuación química balanceada de la fermentación alcohólica de la glucosa, $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$, e indica cuáles son los dos productos que se forman.

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Mariana fermenta en el laboratorio una solución que contiene 90 g de glucosa, $\text{C}6\text{H}{12}\text{O}6$, según la ecuación…

Mariana fermenta en el laboratorio una solución que contiene 90 g de glucosa, $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$, según la ecuación $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\,\text{CO}_2$. Calcula la masa de etanol que se obtendría si la reacción fuera completa (rendimiento del 100 %) y el número de moles de dióxido de carbono que se desprenden.

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Oxidación sucesiva de un alcohol

Si la chicha queda abierta, se vuelve agria: el etanol se oxida. En el laboratorio se hace con un oxidante (por ejemplo dicromato de potasio en medio ácido). Un alcohol primario se oxida por etapas:

alcohol primario → aldehído → ácido carboxílico

Oxidación sucesiva del etanol: etanol, etanal y ácido etanoico, con flechas de oxidación entre ellos CH₃−CH₂−OH etanol CH₃−CHO etanal CH₃−COOH ácido etanoico [O] [O] alcohol aldehído ácido carboxílico

Aquí [O] indica "oxígeno aportado por el oxidante". En cada paso el carbono que lleva el −OH pierde hidrógenos o gana oxígeno:

Etapa Grupo funcional Fórmula del ejemplo
Alcohol primario −OH $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{OH}$
Aldehído −CHO $\text{CH}_3-\text{CHO}$
Ácido carboxílico −COOH $\text{CH}_3-\text{COOH}$

El ácido etanoico (acético) es el que da su sabor y olor al vinagre. Por eso el vino o la chicha "picados" saben a vinagre: el etanol se oxidó.

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Un alcohol primario se oxida de manera suave en el laboratorio. Indica a qué grupo funcional da origen esta primera oxidación y, si se continúa oxidando, qué grupo…

Un alcohol primario se oxida de manera suave en el laboratorio. Indica a qué grupo funcional da origen esta primera oxidación y, si se continúa oxidando, qué grupo funcional se obtiene después. Escribe como ejemplo las fórmulas del etanol y de los dos compuestos que resultan de su oxidación sucesiva.

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Esterificación

Los ésteres son los responsables de muchos olores de frutas y flores, y se emplean como esencias en perfumería y en la industria alimentaria. Se obtienen cuando un ácido carboxílico reacciona con un alcohol. Esta reacción se llama esterificación y libera agua.

$$\text{CH}_3-\text{COOH} + \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{OH} \;\rightleftharpoons\; \text{CH}_3-\text{COO}-\text{CH}_2-\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

El producto es el etanoato de etilo (acetato de etilo). Al nombrar el éster, la parte del ácido ("etanoato") va primero y la del alcohol ("de etilo") después.

Dos ideas clave:

  • Catalizador. La reacción es lenta, así que se añaden unas gotas de ácido sulfúrico concentrado. Este acelera la reacción y además retiene agua, lo que favorece al éster. No se consume.

  • Reversible. La flecha doble $\rightleftharpoons$ indica que el éster y el agua pueden reaccionar de vuelta y regenerar el ácido y el alcohol. Por eso se llega a un equilibrio en el que quedan los cuatro compuestos y no se logra el 100 % de éster.

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El vinagre que se usa para aderezar la ensalada en muchos hogares paceños contiene ácido etanoico (ácido acético). Escribe la fórmula semidesarrollada de este ácido,…

El vinagre que se usa para aderezar la ensalada en muchos hogares paceños contiene ácido etanoico (ácido acético). Escribe la fórmula semidesarrollada de este ácido, señala su grupo funcional y nombra el tipo de reacción que ocurre cuando un ácido carboxílico reacciona con un alcohol para formar un éster.

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Diego hace reaccionar ácido etanoico con metanol en presencia de ácido sulfúrico concentrado como catalizador. Escribe la ecuación de la reacción, nombra el éster…

Diego hace reaccionar ácido etanoico con metanol en presencia de ácido sulfúrico concentrado como catalizador. Escribe la ecuación de la reacción, nombra el éster formado y explica qué función cumple el ácido sulfúrico. Luego indica por qué esta reacción se considera reversible.

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Cálculos con rendimiento

En las reacciones anteriores las ecuaciones te dicen cuánto debería formarse (cantidad teórica). En la práctica se obtiene menos. El rendimiento compara ambas cantidades:

Siempre se calcula primero la masa teórica con la estequiometría y recién al final se aplica el rendimiento.

Masas molares que usaremos (C = 12, H = 1, O = 16): glucosa 180 g/mol; etanol 46 g/mol; ácido etanoico 60 g/mol; etanoato de etilo 88 g/mol.

De masa a volumen: la densidad

En el laboratorio y en la destilería el etanol se mide muchas veces en litros, no en gramos. Para pasar de una a otra se usa la densidad $\rho$, que dice cuánta masa hay en cada unidad de volumen:

$$\rho = \frac{m}{V} \quad\Rightarrow\quad V = \frac{m}{\rho}$$

Si la masa está en g y la densidad en g/mL, el volumen sale en mL. Después puedes pasar a litros: 1.000 mL = 1 L. Se divide porque, a igual masa, una sustancia menos densa ocupa más volumen.

Reactivo limitante

Cuando se dan las masas de dos reactivos, hay que comprobar cuál se acaba primero. Se pasan ambas masas a moles y se compara con la relación de la ecuación. El que da menos producto es el reactivo limitante, y con él se hacen los cálculos. Si los moles coinciden con la relación de la ecuación, ninguno sobra.

Por qué el rendimiento real es menor

Hay varias causas:

  • La reacción es reversible y llega a un equilibrio sin completarse.

  • Se forman subproductos (por ejemplo, el etanal o el ácido en la fermentación, o la oxidación parcial).

  • Se pierde producto al transferir, filtrar, destilar o por evaporación (el etanol es volátil).

  • Los reactivos no son del todo puros, o la levadura muere antes (exceso de alcohol, temperatura inadecuada).

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Para obtener ácido etanoico, se oxida etanol con un oxidante adecuado. Se parte de 23 g de etanol, $\text{C}2\text{H}5\text{OH}$, y la reacción se representa de forma…

Para obtener ácido etanoico, se oxida etanol con un oxidante adecuado. Se parte de 23 g de etanol, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, y la reacción se representa de forma simplificada como $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$ (relación 1 : 1 en moles). Calcula cuántos gramos de ácido etanoico se obtienen si el rendimiento de la reacción es del 80 %. Usa C = 12, H = 1, O = 16.

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En una práctica de laboratorio, Valentina mezcla 46 g de etanol con 60 g de ácido etanoico para obtener acetato de etilo mediante la reacción…

En una práctica de laboratorio, Valentina mezcla 46 g de etanol con 60 g de ácido etanoico para obtener acetato de etilo mediante la reacción $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$. Determina cuál es el reactivo limitante, calcula la masa máxima teórica de éster que podría formarse y halla la masa real obtenida si el rendimiento es del 65 %. Usa C = 12, H = 1, O = 16.

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Una pequeña destilería de singani de los valles de Tarija obtiene etanol por fermentación del azúcar de la uva. Se fermentan 360 kg de glucosa y se recupera el 85 % del…

Una pequeña destilería de singani de los valles de Tarija obtiene etanol por fermentación del azúcar de la uva. Se fermentan 360 kg de glucosa y se recupera el 85 % del etanol teórico. Plantea la ecuación balanceada, calcula la masa de etanol obtenida y el volumen aproximado que ocupa, si su densidad es 0,79 g/mL. Después, argumenta por qué el rendimiento real de un proceso de fermentación suele ser menor al teórico, mencionando al menos dos causas.

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Aceites esenciales: el eucalipto

No todas las sustancias orgánicas oxigenadas se sintetizan: algunas ya están en las plantas. El eucalipto, muy abundante en los valles y el altiplano, contiene un aceite esencial rico en una sustancia oxigenada (el eucaliptol) que se usa en jarabes, vahos y ungüentos para las vías respiratorias.

Se extrae por arrastre con vapor: se hace pasar vapor de agua por las hojas, que arrastra las moléculas aromáticas. Al enfriar el vapor en un refrigerante, se obtienen agua y aceite, que no se mezclan. El aceite flota y se separa.

Resumen

  • Fermentación alcohólica: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\,\text{CO}_2$, con levaduras (chicha, vino, singani).

  • Oxidación sucesiva: alcohol primario (−OH) → aldehído (−CHO) → ácido carboxílico (−COOH). Así el etanol pasa a etanal y después a ácido etanoico (vinagre).

  • Esterificación: ácido + alcohol ⇌ éster + agua, con $\text{H}_2\text{SO}_4$ como catalizador. Es reversible.

  • Cálculos: pasa a moles, usa la relación de la ecuación y calcula la masa teórica. Después multiplica por $\eta/100$.

  • Reactivo limitante: el que da menos producto. El rendimiento real es menor porque hay equilibrio, subproductos y pérdidas.

  • Aceites esenciales: se extraen por arrastre con vapor.

Vuelve al principio: la chicha burbujea porque la levadura fermenta el azúcar y libera $\text{CO}_2$; si queda al aire, el etanol se oxida a ácido etanoico y la chicha se vuelve vinagre.

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