Ejercicios: Propiedades de los compuestos orgánicos y grupos funcionales

El carbono tiene número atómico $Z = 6$: su átomo tiene $6$ electrones, $2$ en la primera capa y $4$ en la capa de valencia. La figura muestra esos electrones ordenados por capas.

1. a) ¿Cuántos electrones le faltan al carbono para completar su capa de valencia con $8$?
2. b) Explica, a partir de ese dato, por qué cada átomo de carbono forma $4$ enlaces covalentes.
3. c) El hidrógeno tiene un solo electrón y su capa se completa con $2$: ¿cuántos enlaces forma cada átomo de hidrógeno? Compruébalo contando enlaces en la molécula de metano, $\text{CH}_4$.

El carbono posee una propiedad casi única, la catenación: sus átomos se enlazan entre sí formando cadenas estables. El pentano tiene su esqueleto de $5$ carbonos en cadena lineal; el dimetilpropano tiene los mismos $5$ carbonos en cadena ramificada, y el ciclopentano, en un anillo cerrado de $5$.

1. a) Dibuja en tu cuaderno el esqueleto carbonado (solo los enlaces $\text{C-C}$) de las tres moléculas.
2. b) Explica, con la catenación y esas tres posibilidades (lineal, ramificada y cíclica), por qué se conocen millones de compuestos orgánicos distintos, mientras que el hidrógeno solo forma moléculas sencillas como $\text{H}_2$ o $\text{H}_2\text{O}$.

La etiqueta de una bebida isotónica y el armario del laboratorio contienen estas sustancias: glucosa ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$), cloruro de sodio ($\text{NaCl}$), agua ($\text{H}_2\text{O}$), etanol ($\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$), metano ($\text{CH}_4$) y carbonato de calcio ($\text{CaCO}_3$).

1. a) Clasifícalas en compuestos orgánicos e inorgánicos.
2. b) Indica qué elemento químico comparten todos los compuestos orgánicos de la lista.
3. c) El carbonato de calcio contiene ese elemento y, sin embargo, se estudia como compuesto inorgánico: propón una regla práctica que explique por qué unos compuestos con carbono son orgánicos y otros (como el $\text{CO}_2$ o los carbonatos) no.

Durante siglos se creyó que los compuestos orgánicos solo podían producirlos los seres vivos gracias a una «fuerza vital». En 1828, Friedrich Wöhler calentó cianato de amonio, una sal inorgánica, y obtuvo urea, $\text{CO(NH}_2)_2$, un compuesto orgánico presente en la orina.

1. a) Explica por qué aquel experimento demostró que los compuestos orgánicos se pueden sintetizar en el laboratorio sin intervención de ningún ser vivo.
2. b) Explica qué significa hoy la palabra «orgánico» en química: ¿tiene algo que ver con que una sustancia proceda o no de seres vivos?
3. c) El diamante y el grafito están hechos solo de carbono: razona si se consideran compuestos orgánicos, teniendo en cuenta que son sustancias simples de un elemento y no compuestos.

En el laboratorio se comparan una cucharada de azúcar (sacarosa) y una de sal común ($\text{NaCl}$). Observaciones: la sal funde a $801\ \celsius$ sin descomponerse, mientras que el azúcar se quema y se descompone a unos $186\ \celsius$; el agua con sal disuelta conduce la corriente eléctrica y el agua con azúcar, prácticamente no; el azúcar arde al calentarla en presencia de aire y la sal es incombustible. La figura muestra las dos estructuras.

1. a) Relaciona cada observación con el tipo de enlace de cada sustancia: red iónica en la sal, moléculas covalentes en el azúcar.
2. b) Enuncia dos propiedades generales que distinguen a la mayoría de los compuestos orgánicos de las sales inorgánicas.

Un grupo funcional es un átomo o grupo de átomos que, presente en moléculas distintas, les confiere propiedades características comunes. El metanol, $\text{CH}_3\text{OH}$, el etanol, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$, y el $1$-propanol, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$, comparten el grupo $-\text{OH}$ (hidroxilo).

1. a) ¿A qué familia pertenecen los tres compuestos?
2. b) Separa en cada fórmula qué parte es una cadena de carbono e hidrógeno y qué parte es el grupo funcional.
3. c) Cita una propiedad común de estas sustancias que se deba al grupo $-\text{OH}$ (piensa, por ejemplo, en su comportamiento con el agua).

Cada una de estas sustancias cotidianas lleva un grupo funcional distinto: el ácido metanoico de las picaduras de hormiga, $\text{HCOOH}$; el etanal del aroma de la manzana verde, $\text{CH}_3\text{CHO}$; la propanona del quitaesmalte, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$, y la metilamina, $\text{CH}_3\text{NH}_2$, responsable del olor del pescado poco fresco.

1. a) Localiza en cada fórmula el grupo funcional: carboxilo ($-\text{COOH}$), carbonilo ($\text{C=O}$) o amino ($-\text{NH}_2$).
2. b) Asigna a cada compuesto su familia: ácido carboxílico, aldehído, cetona o amina.
3. c) Distingue los dos compuestos con carbonilo: ¿en qué se diferencia un aldehído de una cetona respecto a la posición del grupo?

El etanoato de etilo, $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, es el responsable del aroma de la pera madura, y el dimetil éter, $\text{CH}_3\text{OCH}_3$, se emplea como gas propelente en algunos aerosoles.

1. a) Localiza en cada fórmula el grupo funcional: éster ($-\text{COO}-$) o éter (un $-\text{O}-$ uniendo dos cadenas).
2. b) Explica la diferencia estructural entre ambos grupos: ¿qué átomo extra acompaña al oxígeno en el grupo éster?
3. c) Asigna su familia a cada compuesto.

En el propano, $\text{C}_3\text{H}_8$, cada carbono forma $4$ enlaces y cada hidrógeno, $1$.

1. a) Dibuja en tu cuaderno su fórmula desarrollada y cuenta los enlaces $\text{C-C}$ y los enlaces $\text{C-H}$.
2. b) Comprueba que tus recuentos cumplen estas reglas: en un alcano de cadena lineal de $n$ carbonos hay $n - 1$ enlaces $\text{C-C}$ y $2n + 2$ enlaces $\text{C-H}$.
3. c) Sin dibujarla, calcula cuántos enlaces $\text{C-C}$ y cuántos $\text{C-H}$ tiene el hexano, $\text{C}_6\text{H}_{14}$.

La fórmula molecular $\text{C}_5\text{H}_{12}$ corresponde a tres sustancias distintas: el pentano, de cadena lineal (punto de ebullición $36,1\ \celsius$), el metilbutano, con una ramificación ($27,7\ \celsius$), y el dimetilpropano, con dos ($9,5\ \celsius$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno los tres esqueletos carbonados y comprueba que los tres tienen $5$ carbonos y $12$ hidrógenos.
2. b) ¿Cómo se denominan los compuestos que comparten fórmula molecular pero tienen distinta estructura?
3. c) Ordena los datos y concluye cómo afecta la ramificación al punto de ebullición; propón una explicación pensando en cómo se empaquetan y se tocan unas moléculas con otras.

Los cuatro enlaces del carbono se orientan en el espacio hacia los vértices de un tetraedro, con ángulos de $109,5^\circ$: esa es la geometría del metano. Alrededor de un doble enlace $\text{C=C}$, como en el eteno, la geometría es plana triangular (ángulos de $120^\circ$), y alrededor de un triple enlace, como en el etino, lineal ($180^\circ$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las tres moléculas indicando el tipo de enlace entre carbonos y la geometría de cada una.
2. b) Ordena los enlaces sencillo, doble y triple de más largo a más corto asignando estos datos de longitud: $154\ \text{pm}$, $134\ \text{pm}$ y $120\ \text{pm}$.
3. c) Asigna también a cada enlace su energía de ruptura ($348$, $612$ y $838\ \text{kJ/mol}$) y enuncia la conclusión que relaciona longitud, energía y número de pares de electrones compartidos.

Se vierten por separado hexano, etanol y ácido etanoico en tres tubos con agua y se agitan. Ten en cuenta que los grupos $-\text{OH}$ y $-\text{COOH}$ son polares y forman puentes de hidrógeno con el agua, mientras que una cadena de carbono e hidrógeno es apolar.

1. a) Predice qué líquidos serán miscibles con el agua y cuál formará dos capas, como el aceite.
2. b) Enuncia la regla «lo semejante disuelve a lo semejante» y aplícala al resultado.
3. c) Razona por qué para limpiar una mancha de grasa de la cadena de una bicicleta funciona mejor un poco de gasolina que el agua, y por qué el alcohol borra mejor la tinta de un rotulador permanente.

El metanal (formaldehído), $\text{HCHO}$, es un gas que, disuelto en agua al $40\ \%$ en masa (el «formol»), se usa como conservante de muestras biológicas.

1. a) Señala su grupo funcional e indica a qué familia pertenece.
2. b) Dibuja en tu cuaderno su fórmula desarrollada: cuenta los enlaces $\text{C-H}$ y el enlace $\text{C=O}$, y razona por qué es el aldehído más pequeño posible.
3. c) Industrialmente se obtiene retirando dos hidrógenos al metanol: $\text{CH}_3\text{OH} \rightarrow \text{HCHO} + \text{H}_2$. Comprueba el balance de átomos y explica por qué quitar hidrógeno a un compuesto orgánico equivale a oxidarlo.

Para desincrustar los restos de piedra caliza del fondo de una cafetera se usa vinagre: su ácido etanoico reacciona con el carbonato y lo disuelve desprendiendo $\text{CO}_2$. En el laboratorio se comprueba la acidez de los ácidos carboxílicos echando bicarbonato de sodio:

$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$

1. a) Comprueba que la ecuación está ajustada contando los átomos de cada elemento a ambos lados.
2. b) Señala el grupo funcional del ácido etanoico.
3. c) Explica qué propiedad general de los ácidos carboxílicos demuestra este ensayo y qué observarías al hacerlo.

El butanal, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CHO}$, se obtiene oxidando suavemente el $1$-butanol, y la propanona, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$, oxidando el $2$-propanol.

1. a) Localiza el grupo carbonilo, $\text{C=O}$, en cada producto y explica la diferencia de posición: en un extremo de la cadena o en un carbono interior.
2. b) Asigna a cada producto su familia: aldehído o cetona.
3. c) Deduce y escribe la regla general: qué tipo de alcohol (con el $-\text{OH}$ en un extremo o en un carbono interior) origina un aldehído y cuál origina una cetona.

La metilamina, $\text{CH}_3\text{NH}_2$, es un gas de olor desagradable emparentado con el amoniaco, $\text{NH}_3$: ambos tienen carácter básico porque su átomo de nitrógeno puede captar un $\text{H}^+$ del agua, dejando iones $\text{OH}^-$ en la disolución.

1. a) Explica qué significa que una sustancia tenga carácter básico y razona si el pH del agua subirá o bajará al disolver metilamina.
2. b) Señala el grupo funcional de la metilamina y la familia a la que pertenece.
3. c) La glicina, un aminoácido, tiene fórmula semidesarrollada $\text{H}_2\text{N-CH}_2\text{-COOH}$: identifica sus dos grupos funcionales y las dos familias a las que pertenece a la vez.

El silicio está justo debajo del carbono en la tabla periódica y también forma $4$ enlaces, pero no existe una «química del silicio» comparable a la del carbono. Energías de enlace, en $\text{kJ/mol}$: $\text{C-C} = 348$; $\text{Si-Si} = 226$; $\text{C-O} = 358$; $\text{Si-O} = 452$. La figura compara las cuatro energías.

1. a) Compara las energías de los enlaces $\text{C-C}$ y $\text{Si-Si}$ y explica por qué las cadenas largas de átomos de silicio se rompen con facilidad.
2. b) Compara las energías de los enlaces $\text{C-O}$ y $\text{Si-O}$ y razona por qué el silicio aparece en la naturaleza siempre unido al oxígeno (arena, silicatos) y no formando cadenas propias.
3. c) Las siliconas de los selladores y de los moldes de repostería son polímeros con esqueleto $-\text{Si-O-Si-O}-$: relaciónalo con los datos anteriores.

Para averiguar la composición de un hidrocarburo X se quema una muestra: $0,2\ \text{mol}$ de X consumen $0,9\ \text{mol}$ de $\text{O}_2$ y producen $0,6\ \text{mol}$ de $\text{CO}_2$ y $0,6\ \text{mol}$ de $\text{H}_2\text{O}$.

1. a) Calcula cuántos átomos de carbono y cuántos de hidrógeno lleva cada molécula de X: los moles de $\text{CO}_2$ delatan todo el carbono y los de $\text{H}_2\text{O}$, todo el hidrógeno.
2. b) Comprueba con un balance de átomos de oxígeno (los que hay en los productos frente a los que aporta el $\text{O}_2$) que X no contiene oxígeno.
3. c) Escribe la fórmula molecular de X y propón dos estructuras compatibles con ella: una cadena con un doble enlace y un anillo de tres carbonos.

En el laboratorio hay tres frascos sin etiqueta que contienen etanol, ácido etanoico y etanoato de etilo, sin saber cuál es cuál. Solo dispones de papel indicador de pH, bicarbonato de sodio y tu olfato (aplicando la técnica correcta, sin aspirar directamente).

1. a) Explica qué observarías al aplicar cada prueba a cada sustancia: pH ácido o neutro, burbujeo o no con bicarbonato, olor frutal o no.
2. b) Diseña un orden de pruebas que permita identificar los tres frascos con el menor número de ensayos posible y justifícalo por los grupos funcionales de cada compuesto.

En un laboratorio didáctico se prepara un aroma de pera calentando $90\ \text{g}$ de ácido etanoico ($M = 60\ \text{g/mol}$) con $92\ \text{g}$ de etanol ($M = 46\ \text{g/mol}$). La reacción, reversible, produce etanoato de etilo ($M = 88\ \text{g/mol}$) y agua, mol a mol.

1. a) Calcula los moles de cada reactivo y decide cuál es el reactivo limitante.
2. b) Suponiendo que la reacción fuese completa, calcula los moles y la masa de éster que se formarían.
3. c) Calcula la masa del reactivo en exceso que quedaría sin reaccionar.
4. d) La reacción real no llega a completarse por ser reversible: razona si la masa de éster obtenida será mayor o menor que la calculada.

El ácido esteárico, $\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{-COOH}$, es un ácido carboxílico de cadena larguísima presente en las grasas, y su sal sódica es el ingrediente principal de muchas pastillas de jabón. La figura representa su molécula de forma esquemática.

1. a) Predice si el ácido esteárico será soluble o insoluble en agua y explica la paradoja: lleva un grupo $-\text{COOH}$ polar, que por sí solo sería soluble, unido a una cadena de $17$ carbonos apolar.
2. b) Describe cómo se orientan sus moléculas en la superficie del agua y alrededor de una gota de grasa: qué extremo toca el agua y qué extremo toca la grasa.
3. c) Con esa imagen, explica por qué el jabón permite arrastrar la grasa con agua.

Una botella de vino mal cerrada se avinagra: el oxígeno del aire oxida el etanol y lo convierte en ácido etanoico, según la ecuación $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O}$.

1. a) Identifica el grupo funcional del reactivo orgánico y el del producto, y explica en qué consiste la transformación desde el punto de vista de los átomos: la molécula «gana» un oxígeno.
2. b) Calcula la masa de ácido etanoico que se obtiene al oxidarse $46\ \text{g}$ de etanol y la masa de $\text{O}_2$ consumida (masas molares: etanol $= 46$; ácido etanoico $= 60$; $\text{O}_2 = 32\ \text{g/mol}$).
3. c) Calcula el aumento porcentual de masa de la sustancia orgánica al pasar de alcohol a ácido.

Dos sustancias, A y B, tienen la misma fórmula molecular, $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$. A temperatura ambiente, A es un líquido que hierve a $78,4\ \celsius$ y se mezcla con el agua en cualquier proporción; B es un gas que licúa a $-24\ \celsius$ y apenas se disuelve en agua.

1. a) Asigna las sustancias: una es el etanol y la otra, el dimetil éter.
2. b) Escribe las fórmulas semidesarrolladas de ambas y señala sus grupos funcionales.
3. c) Justifica la enorme diferencia de puntos de ebullición y de solubilidad: solo una de las moléculas tiene un enlace $\text{O-H}$ capaz de formar puentes de hidrógeno.
4. d) Se dice que A y B son isómeros de función, con la misma fórmula molecular pero distinto grupo funcional: define el concepto usando este ejemplo.

La glicina, $\text{H}_2\text{N-CH}_2\text{-COOH}$, es el aminoácido más sencillo. En agua, su grupo $-\text{COOH}$ cede un $\text{H}^+$, como cualquier ácido carboxílico, y su grupo $-\text{NH}_2$ acepta un $\text{H}^+$, como cualquier amina, de modo que la molécula queda con dos cargas a la vez: $\text{H}_3\text{N}^+\text{-CH}_2\text{-COO}^-$.

1. a) Identifica los dos grupos funcionales de la glicina y clasifícala en dos familias a la vez.
2. b) Explica qué significa que la glicina sea una sustancia anfótera: ¿cómo reaccionará ante un ácido fuerte? ¿Y ante una base fuerte?
3. c) Las proteínas del cuerpo son largas cadenas de aminoácidos: razona por qué pueden actuar como «esponjas» de iones $\text{H}^+$ y ayudar a mantener estable el pH de la sangre.