Isótopos, cationes, aniones y radicales libres

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1 UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS FUNDAMENTROS ESPECTROSCÓPICOS INTEGRANTES. Chuquimarca Marcia Segura Carla HORARIO: Jueves de 10 a 12pm Isótopos, cationes, aniones y radicales libres TEMA 1 1. Definición y características de cationes y aniones Aniones.- los no metales ganan electrones para formar iones negativos y estos serán llamados aniones. Cationes.- Los metales pierden electrones para formar iones positivos llamados, cationes. 2. Métodos para obtener cationes y aniones de carbono Carbocationes los cationes se forman cuando un atomo se ve cargado positivamente...es decir pierden electrones, ya que estos son cargas negativas... lo mas comun es que sean lo elementos metalicos los que formen los cationes, pero tambien hay casos en los que los no metales tambien los forman...como el caso del nitrogeno, carbono y boro y por ende la forma mas común de formar un carbocatión es la ionización de un átomo o grupo de átomos unido al carbono que se separa con sus electrones de enlace para formar un par iónico como en el caso de Sustutuciones y adiciones aromaticas electrofilicas, o cuando se separa de un alogenuro de alquilo el grupo salente (el halógeno) Carbaniones La desprotonación de un carbono con una base de Brönsted es el procedimiento más directo para generar un carbanion; Otras formas de generar carbaniones es mediante la reacción de Michael, o en reacciones que se utilice el reactivo de Grignard, entre otras. 3. Estabilidad de cationes. Factores que influyen en la estabilidad. Los carbocationes son principalmente intermediarios de reacción por lo que es difícil de mantenerlos por mucho tiempo. Los más estables se han preparado en solución y, en algunos casos, aun en estado sólido. En solución el carbocation puede estar libre, lo que es más probable en disolventes polares en los que el catión estará solvatado, o puede existir como un par iónico, lo que significa que está estrechamente asociado con un ion negativo llamado carbanion. Los pares iónicos se forman fácilmente en disolventes no polares. Los factores que determinan la estabilidad de los carbocationes son: -Efectos electrónicos.-tanto, cualquier cambio estructural que incremente la densidad electrónica en el centro positivo estabilizara al carbocation; así la presencia de un átomo o grupo atrayente de electrones cercano al carbono positivo desestabilizará al catión mientras que un grupo donador le conferirá estabilidad. -Hiperconjugación.-por efecto de campo. En la hiperconjugación un enlace vecino al carbono con carga positiva, comparte los electrones con el orbital vacío del carbocation estabilizándolo de esta manera.

2 Resonancia.-átomos debido a la presencia de un doble enlace, un átomo que tenga pares de electrones no compartidos o un anillo aromático vecinos, la carga se estabiliza. Este efecto se denomina efecto de resonancia, y es común en compuestos aromáticos, éteres o carbocationes alílicos. Efecto de los disolventes.-- sólo en muy pocos casos los carbocationes son lo suficientemente estables para ser aislados; el papel del disolvente en las reacciones de generación de carbocationes es de fundamental importancia, es más, muy pocas proceden en ausencia de disolvente; obviamente el disolvente juega un papel importante en facilitar el proceso de ionización. Transposición.- otra forma de estabilizar una carga positiva es mediante una transposición, que consiste en que un átomo o grupo de átomos vecinos al carbocation, se transfiera al carbocation junto con sus electrones de enlace, para dejar una carga positiva más estable. 4. Posibles usos. Hay multitud de aplicaciones basadas en el uso de iones y cada día se descubren más, desde detectores de humo hasta motores iónicos. Los iones inorgánicos disueltos son un componente de los sólidos (sólidos totales disueltos) presentes en el agua e indican la calidad de esta. Amas de esto en la actualidad se están usando en intercambiadores de iones mediante resinas de alto peso molecular las cuales permiten el intercambio de un ion por otro específico. Los cationes son usados como la parte positiva en un compuesto formando un enlace iónico y estos participan en reacciones en su mayoría de intercambio iónico que tienen aplicaciones en la medicinas como las resinas de intercambio catiónico ( NOVEFAZOL) que contrarrestra problemas digestivos con precauciones Deberá tenerse especial cuidado en el uso de resinas de intercambio catiónico, en pacientes con tendencia a padecer estreñimiento (se presenta con mayor frecuencia en pacientes de edad avanzada), en caso de presentarse, el tratamiento con NOVEFAZOL deberá interrumpirse hasta que se haya restablecido la motilidad intestinal normal. TEMA Definición y características de los isótopos Se denominan isótopos a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en masa. La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo; solamente 21 elementos, por ejemplo el berilio y sodio; poseen un solo isótopo natural; mientras que el estaño es el elemento con más isótopos estables. Otros elementos tienen isótopos naturales, pero inestables, como el Uranio, cuyos isótopos están constantemente en decaimiento, lo que los hace radiactivos. Los isótopos inestables son útiles para estimar la edad de variedad de muestras naturales, como rocas y materia orgánica. se llaman isótopos cada una de las variedades de un átomo de cierto elemento químico, los cuales varían en el núcleo atómico. El núcleo presenta el mismo número atómico (Z), constituyendo por lo tanto el mismo elemento, pero presenta distinto número másico (A). Los diferentes átomos de un mismo elemento, a pesar de tener el mismo

3 número de protones y electrones (+ y -), pueden diferenciarse en el número de neutrones. Puesto que el número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número másico es la suma total de protones y neutrones en el núcleo, los isótopos del mismo elemento sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen. Los elementos, tal como se encuentran en la naturaleza, son una mezcla de isótopos. La masa atómica que aparece en la tabla periódica es el promedio de todas las masas isotópicas naturales, de ahí que mayoritariamente no sean números enteros. 2. Principales isótopos de C, H, O, N, S y X. Carbono: -C12, constituye el 98,89% del carbono natural y sirve de patrón para la escala de masas atómicas; -C13,es el único isótopo magnético del carbono, y se usa en estudios estructurales de compuestos que contienen este elemento; - C14, producido por el bombardeo de nitrógeno con rayos cósmicos, es radiactivo (con una vida media de años) y se emplea para datar objetos arqueológicos. Oxígeno: El oxígeno tiene tres isótopos estables y diez radioactivos. Todos sus isótopos radioactivos tienen un periodo de semidesintegración de menos de tres minutos -16O, abundancia , es estable con 8 neutrones. -17O, abundancia 0,038 El O es estable con 9 neutrones -18O, abundancia 0,2 El O es estable con 10 neutrones. Nitrógeno: -14 N, es un isótopo estable, no-radiactivo del elemento químico nitrógeno, abarca aproximadamente el 99% de todo el nitrógeno natural. -15 N, es estable y no radiactivo, se emplea en investigación médica y en agricultura. También se emplea habitualmente en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) Azufre: Se conocen 18 isótopos del azufre, cuatro de los cuales son estables: - 32S : 95,02% Estable con 16 neutrones -33S: 0,75% Estable con 17 neutrones -34S :4,21% Estable con 18 neutrones -35S: es sintético, y cuyo período de vida media es de 87,32 d -36S: 0,02% Estable con 20 neutrones Cloro: En la naturaleza se encuentran dos isótopos estables de cloro; uno de masa 35uma, y el otro de 37uma, con unas proporciones relativas de 3:1 respectivamente, lo que da un peso atómico para el cloro de 35,5uma. El cloro tiene 9 isótopos con masas desde 32uma hasta 40uma; sólo tres de éstos se encuentran en la naturaleza: el 35Cl, estable y con una abundancia del 75,77%, el 37Cl, también estable y con una abundancia del 24,23%, y el isótopo radiactivo 36Cl. La relación de 36Cl con el Cl estable en el ambiente es de aproximadamente :1. El 36Cl se produce en la atmósfera a partir del 36Ar por interacciones con protones de rayos cósmicos; en el subsuelo se genera 36Cl principalmente mediante procesos de captura de neutrones del 35Cl, o por captura de muones del 40Ca. El 36Cl decae a 36S y a 36Ar, con un periodo de semidesintegración combinado de años. 3. Métodos para obtener isótopos y abundancia relativa.

4 La cantidad relativa de un isótopo en la naturaleza recibe el nombre de abundancia isotópica natural. La masa atómica de un elemento es una media de las masas de sus isotópos naturales ponderada de acuerdo a su abundancia relativa. Por ejemplo, La plata (Ag) en su estado natural está constituida por una mezcla de dos isótopos de números másicos 107 y 109. Sabiendo que abundancia isotópica es la siguiente: 107Ag =56% y 109Ag =44%, el peso atómico de la plata natural se calcula como: En general las propiedades químicas de un elemento están determinadas fundamentalmente por los protones y electrones de sus átomos y en condiciones normales los neutrones no participan en los cambios químicos. Por ello los isótopos de un elemento tendrán un comportamiento químico similar, formarán el mismo tipo de compuestos y reaccionarán de manera semejante. 4. Estabilidad de los isótopos. Factores que influyen en la estabilidad. Un elemento químico que tiene uno o varios isótopos, de los cuales todos, algunos, o ninguno, pueden ser isótopos estables. Los isótopos que no son estables, a diferencia de los estables, se desintegran para dar lugar a otros núclidos emitiendo partículas o radiación electromagnética. Por ejemplo, el tecnecio no tiene ningún isótopo estable mientras que el estaño tiene diez isótopos estables. Se conocen unos 2500 núclidos, de los cuales son estables menos de 300. La representación del número de neutrones (N) frente al número de protones (número atómico, Z) indicándose los isótopos estables se denomina carta de Segrè (diseñada por el físico Emilio Segrè). La región de estabilidad es estrecha, cumpliéndose que para números de masa (A) pequeños el número de protones y de neutrones es similar, mientras que conforme aumenta A, la relación N/Z también aumenta (hasta un valor de aproximadamente 1,6). Se encuentra que para Z=43, Z=61 o Z>83 no hay ningún núclido estable. 5. Posibles usos. En medicina la radiación de alta energía emitida por el radio fue utilizada durante mucho tiempo en el tratamiento del cáncer. Actualmente se usa el cobalto-60 para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que emite el radio y es más barato que este. En medicina se usa el tratamiento con cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con base en la capacidad que tienen los rayos gamma para destruir tejidos cancerosos.. Su proceso de desintegración se representa mediante la ecuación química nuclear: Co ----> 2860Ni + -10b + 00g. t1/2 = 5.27 años Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123. Allí la radiación destruye a las células cancerosas sin afectar al resto del cuerpo. Una de las primeras aplicaciones de los isótopos radiactivos en química fue en el estudio de las velocidades de una reacción reversible para establecer las condiciones de equilibrio. Por ejemplo, para conocer el equilibrio en una solución saturada de cloruro de plomo II (PbCl2). La ecuación química que representa el equilibrio de esta solución es: 2. PbCl2(S) ----> Pb2+(ac) + 2 Cl1-(ac) En estudios de química orgánica se usan los isótopos radiactivos como trazadores o rastreadores (por ejemplo, carbono-14) para conocer los mecanismos de reacciones complejas como las de la fotosíntesis, en la que en varias etapas se van formando moléculas más complejas. Para el estudio de la trayectoria de las reacciones químicas en la fotosíntesis se nutre a la planta con dióxido de carbono (CO2) que contiene carbono-14. Datación: Las

5 mediciones de la radiactividad se usan para determinar la edad de los minerales y de restos fósiles (datación). Por ejemplo, la existencia de núclidos radiactivos naturales sobre la superficie de la Tierra sugiere que sus vidas medias son comparables con las edades de los minerales en los cuales se encuentran, y estos proporcionan una estimación de la edad de la Tierra. TEMA Definición y características de los radicales libres Los radicales libres son átomos o grupos de átomos que tienen un electrón (e-) desapareado en capacidad de aparearse, por lo que son muy reactivos; estos radicales recorren nuestro organismo intentando robar un electrón de las moléculas estables, con el fin de alcanzar su estabilidad electroquímica. Una vez que el radical libre ha conseguido robar el electrón que necesita para aparear su electrón libre, la molécula estable que se lo cede se convierte a su vez en un radical libre, por quedar con un electrón desapareado, iniciándose así una verdadera reacción en cadena que destruye nuestras células. La vida biológica media del radical libre es de microsegundos; pero tiene la capacidad de reaccionar con todo lo que esté a su alrededor provocando un gran daño a las moléculas y a las membranas celulares. Los radicales libres no son intrínsecamente malos; de hecho, nuestro propio cuerpo los fabrica en cantidades moderadas para luchar contra bacterias y virus. 2. Métodos para obtener radicales libres de carbono Las reacciones que afectan a los radicales libres se dividen normalmente en tres categorías: iniciación, propagación y terminación. -Reacciones de iniciación Son las reacciones que producen un aumento en el número de radicales libres. Pueden afectar a la formación de radicales libres a partir de especies estables como en la reacción 1 o pueden producir reacciones de radicales libres con especies estables para formar más radicales libres. -Reacciones de propagación Son reacciones en las que el número de radicales libres total es el mismo que el de partida. -Reacciones de terminación Son las reacciones en las que se produce una disminución neta del número de radicales libres. Típicamente dos radicales libres se combinan para formar una especie química más estable 3. Estabilidad de los radicales libres. Factores que influyen en la estabilidad. Para conseguir la estabilidad modifican a moléculas de su alrededor provocando la aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en cadena que dañará a muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no intervienen. Los radicales libres son muy inestables y reaccionan rápidamente con otros compuestos, intentando capturar el electrón necesario para ganar estabilidad. En general, los radicales libres atacan la molécula estable más cercana y le roban su electrón. Cuando la molécula ataca pierde su electrón y se convierte en un radical libre comenzando una reacción en cadena. 4. Posibles usos. Reacciones adversas de los radicales libres Los radicales se producen en la respiración con la presencia de oxígeno que aunque es imprescindible para la vida celular de nuestro organismo, también induce la formación de éstas moléculas reactivas, que provocan a lo largo de la vida efectos negativos para la salud debido

6 a su capacidad de alterar el ADN (los genes), las proteínas y los lípidos o grasas ("oxidación"). En nuestro cuerpo existen células que se renuevan continuamente como las células de la piel, del intestino, y el hígado, y otras sin capacidad de renovación como las neuronas. En el transcurso de los años, los radicales libres pueden producir una alteración genética sobre las células que se dividen continuamente contribuyendo a aumentar el riesgo de cáncer por mutaciones genéticas o bien, disminuyen la funcionalidad de las células que no se dividen tanto, disminuyendo el número de mitocondrias, que es característico del envejecimiento. CAUSAS Existen diversas causas para la producción de radicales libres. En algunos casos intervienen factores internos, y en otros casos, factores externos. FACTORES EXÒGENOS: Se pueden sintetizar en el laboratorio. Pueden ser producto de la contaminación atmosférica, el humo del cigarrillo que contiene hidrocarburos aromáticos polinucleares, así como aldehídos que producen distintos tipos de radicales libres en nuestro organismo. FACTORES ENDÒGENOS: El mismo cuerpo humano fabrica los radicales libres por el contacto con el oxígeno(respiración). También se producen radicales libres por la acción de las enzimas oxidantes y las células fagocitarias. ESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO BIBLIOGRAFÍA: GOOGLE: , LIBROS: L.G. WADE, JR. Quimica Orgánica. Quinta edición capitulo 4