Ejercicios: Propiedades del carbono y sus enlaces

El carbono tiene número atómico $Z = 6$. Escribe su configuración electrónica e indica cuántos electrones de valencia tiene. Explica con una frase qué significa que el carbono sea tetravalente.

Observa las siguientes moléculas: etano ($\mathrm{CH_3-CH_3}$), eteno ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) y etino ($\mathrm{CH\equiv CH}$). Para cada una indica qué tipo de enlace une a los dos átomos de carbono (simple, doble o triple) y cuántos pares de electrones comparten.

Un estudiante dibuja el metano con la fórmula $\mathrm{CH_4}$ y otro lo dibuja con el carbono al centro unido a cuatro átomos de hidrógeno mediante líneas. Indica qué tipo de fórmula es cada una (condensada, desarrollada o molecular) y cuál muestra explícitamente todos los enlaces.

Completa la tabla para el carbono en tres moléculas: metano ($\mathrm{CH_4}$), eteno ($\mathrm{C_2H_4}$) y etino ($\mathrm{C_2H_2}$). Para cada una indica la hibridación del carbono ($sp$, $sp^2$ o $sp^3$), la geometría alrededor del carbono (tetraédrica, trigonal plana o lineal) y el ángulo de enlace aproximado. Luego explica por qué la geometría cambia al pasar de un enlace simple a uno triple.

La molécula del butano tiene fórmula molecular $\mathrm{C_4H_{10}}$. Escribe su fórmula desarrollada, su fórmula condensada y describe cómo se dibujaría su fórmula lineal (en zigzag). Indica cuántos enlaces $\mathrm{C-C}$ y cuántos enlaces $\mathrm{C-H}$ tiene la molécula.

Isidora afirma que el carbono puede formar cadenas largas, ramificadas y anillos, y que por eso existen millones de compuestos orgánicos. Explica dos propiedades del átomo de carbono (por ejemplo, su tetravalencia y su capacidad de concatenación) que justifican su afirmación y da un ejemplo de una cadena y de un anillo formados solo por carbono e hidrógeno.

Una molécula tiene la fórmula condensada $\mathrm{CH_3-CH=CH-C\equiv CH}$. Numera los carbonos de izquierda a derecha y, para cada uno, indica su hibridación, su geometría y cuántos enlaces $\sigma$ y $\pi$ forma. Luego calcula el total de enlaces $\sigma$ y $\pi$ de la molécula y justifica por qué una parte de la cadena es lineal y otra no.

Benjamín compara el etano, el eteno y el etino y observa que la longitud del enlace entre carbonos es aproximadamente $1{,}54$ Å, $1{,}34$ Å y $1{,}20$ Å, respectivamente. Argumenta por qué la longitud disminuye a medida que aumenta el orden de enlace, qué ocurre con la energía necesaria para romperlo y por qué, aun así, el etano puede girar libremente en torno al enlace $\mathrm{C-C}$ mientras que el eteno no.