Ejercicios: Estructura del átomo de carbono y moléculas orgánicas

El carbono tiene número atómico $Z = 6$. Escribe su configuración electrónica en estado fundamental e indica cuántos electrones de valencia tiene. Explica brevemente por qué esa cantidad de electrones de valencia le permite formar cuatro enlaces covalentes.

Observa las siguientes fórmulas de hidrocarburos: $\text{CH}_3\text{-CH}_3$, $\text{CH}_2\text{=CH}_2$ y $\text{CH}\equiv\text{CH}$. Para cada una indica el tipo de enlace entre los dos carbonos (sencillo, doble o triple) y la familia de hidrocarburos a la que pertenece (alcano, alqueno o alquino).

Un compañero de clase afirma que todos los compuestos del carbono son orgánicos. Revisa su afirmación: menciona dos ejemplos de sustancias que contienen carbono pero que suelen clasificarse como inorgánicas (por ejemplo, el dióxido de carbono) y explica qué elementos son los que, en general, componen los compuestos orgánicos.

En el metano ($\text{CH}_4$), el eteno ($\text{C}_2\text{H}_4$) y el etino ($\text{C}_2\text{H}_2$) los carbonos presentan hibridaciones diferentes. Completa para cada molécula: la hibridación del carbono ($sp^3$, $sp^2$ o $sp$), el número de orbitales híbridos que forma cada carbono y la geometría alrededor de ese carbono (tetraédrica, trigonal plana o lineal).

El gas propano, que se vende en pipetas para las estufas de muchos hogares, tiene fórmula $\text{C}_3\text{H}_8$. Dibuja su fórmula estructural condensada, indica cuántos enlaces sigma ($\sigma$) tiene la molécula en total y explica por qué no tiene enlaces pi ($\pi$).

Se tienen dos compuestos de fórmula molecular $\text{C}_4\text{H}_{10}$: el butano, de cadena lineal, y el metilpropano, de cadena ramificada. Dibuja la fórmula estructural condensada de cada uno y explica por qué se dice que son isómeros de cadena. Indica además qué propiedad tienen en común y cuál podría ser distinta.

El diamante y el grafito están formados únicamente por átomos de carbono, pero el diamante es muy duro y no conduce la electricidad, mientras que el grafito de la mina de un lápiz es blando y sí la conduce. Relaciona la hibridación del carbono en cada caso ($sp^3$ en el diamante y $sp^2$ en el grafito) con la forma en que se organizan los átomos y argumenta cómo esa organización explica las diferencias de dureza y de conductividad eléctrica.

Un estudiante propone que el silicio, ubicado justo debajo del carbono en el grupo 14, podría formar cadenas tan largas y variadas como las del carbono y, por tanto, que existiría una «química del silicio» tan amplia como la orgánica. Con base en el tamaño atómico, la fortaleza de los enlaces $\text{C-C}$ frente a los $\text{Si-Si}$ y la posibilidad de formar enlaces múltiples, analiza esta propuesta y concluye si es razonable. Justifica cada argumento.