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B2Q U12.2.2 Reacciones de sustitución - Contenido educativo
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Hola a todos, soy Raúl Corraliza, profesor de química de segundo de bachillerato en el IES Arquitecto Pedro Gumiel de Alcalá de Henares
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y os doy la bienvenida a esta serie de videoclases de la unidad 12 dedicada a las reacciones orgánicas.
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En la videoclase de hoy estudiaremos las reacciones de sustitución.
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En función de la relación estructural que exista entre activos, entre sí o bien entre activos y productos,
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vamos a distinguir tres tipos de reacciones, tres familias de reacciones. Las que vamos a ver a
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continuación, que vamos a denominar reacciones de sustitución, un poquito más adelante hablaremos
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de las reacciones de adición e incluso un poco más allá hablaremos de las reacciones de eliminación.
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Vamos a empezar por las primeras, por las reacciones de sustitución, que como su propio
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fenómeno indica se caracterizan porque un átomo o un grupo funcional en el sustrato va a ser
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sustituido por otro átomo o grupo funcional que proviene del reactivo. Distintos tipos de reacciones
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de sustitución que nosotros nos podamos encontrar más adelante son, por ejemplo, la obtención de
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halogenuros de alquilo a partir de alcoholes. Un halogenuro de alquilo no es más que un alcano
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alqueno o alquino, eso es un alquilo con carácter general, que contiene un halógeno. Así que aquí
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lo que pretendemos es obtener un halógeno de alquilo a partir de un alcohol y el alcohol no
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es más que un alcano alquino alquino que contiene un grupo hidróxilo. Bueno, pues como ejemplo aquí
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lo que tengo representado es el caso del etanol CH3CH2OH. Este es el sustrato, el sustrato orgánico.
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Lo vamos a hacer reaccionar con este reactivo que es el ácido clorhídrico, así que esta reacción
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está transcurriendo en medio ácido y lo que podemos ver es que en ciertas condiciones el
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mecanismo de reacción, no lo vamos a estudiar, lo que se produce es la sustitución del grupo
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hidróxilo completo por el cloruro del ácido clorhídrico. Lo que vamos a obtener en lugar
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del etanol es el cloroetano y lo que vamos a tener es que el hidróxilo junto con el hidrógeno que
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provenía del ácido clorhídrico va a formar agua. Así pues, aquí lo que tenemos es que el etanol
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más ácido clorhídrico va a producir el cloroetano más agua. Se está obteniendo un halogenuro de
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alquilo a partir de un cierto alcohol y la reacción de sustitución es la del hidroxilo del alcohol por
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el cloro, por el halógeno. Esto mismo podría obtenerse en sentido contrario. La reacción
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inversa es la de obtención de alcoholes a partir de halogenuros de alquilo. Y aquí he puesto un
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ejemplo similar. Lo que tengo aquí es el bromoetano con agua. Se produce la sustitución del bromo por
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el hidroxilo que provendría del agua y a cambio el bromo se quedaría con el hidrógeno que provendría
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de la misma. Y entonces lo que obtendríamos es el etanol una vez más y en este caso el ácido
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bromídrico, el bromuro de hidrógeno. Así pues ya veis una reacción que en un cierto sentido y en
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sentido inverso me permite pasar de halógenos de alquilo a alcoholes. Fijaos que cualquiera de
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estas dos reacciones transcurren en medio ácido. Aquí lo tengo en reactivos, aquí lo tengo en
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productos. Y en medio básico, bueno, pues nosotros lo que vamos a estudiar es la obtención de alcoholes
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a partir de halógenos de alquilo en medio básico. Y en este caso he vuelto a tomar el bromoetano,
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pero en lugar de hacerlo reaccionar con agua, lo que he utilizado como reactivo es una base fuerte
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el hidróxido de sodio y aquí la sustitución sería la del bromo en el bromo etano por el hidróxilo
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que proviene de la base fuerte y entonces lo que obtendríamos sería el etanol y el bromo junto con
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el sodio lo que me produciría es bromuro de sodio y esta es como he dicho anteriormente la reacción
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de formación o de obtención de un cierto alcohol aparte de un cierto halógeno de alquilo en medio
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básico. Comparad esta con la anterior, que es la misma, la obtención de un alcohol a partir de un
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halogénulo de alquilo, pero en medio ácido. Aquí tengo el ácido bromídrico. Otras acciones que
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también transcurren en medio básico, también de sustitución, serían, por ejemplo, la de obtención
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de aminas a partir de halogénulos de alquilo. En su momento, en la unidad pasada, ya mencionamos
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que las aminas se producen como derivados del amoníaco, aquí lo tengo, que ha perdido
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uno, dos o los tres hidrógenos y a cambio lo que obtienen es un radical, una cadena
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carbonada. Bien, pues esa cadena carbonada que se va a insertar, que se va a conectar
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con el amoníaco para formar la amina en esta reacción tiene la forma de un halogenuro
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de alquilo. Y aquí lo que ocurre es que tenemos, por ejemplo, el cloroetano con el amoníaco
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para poder formar la amina y el medio básico es una base fuerte, en este caso es hidróxido
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de sodio. ¿Y qué es lo que va a ocurrir? Bueno, pues que en la reacción química se
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va a perder este cloro, se va a perder uno de estos hidrógenos y a cambio lo que va
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a tener es la correspondiente amina y aquí lo que tengo es, perdón, sí, amina, la etanamina.
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Además de esto, el resto de elementos van a formar el cloro de sodio y agua. El hidrógeno
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del amoníaco reacciona o se junta con el hidróxilo que provendría del hidróxido de sodio para formar
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el agua y el sodio se quedaría con el cloro para formar el cloro de sodio. Un tipo particular de
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reacción de sustitución son las reacciones de sustitución radicálicas. Como veis aquí tienen
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lugar mediante un mecanismo fotoquímico. Es necesaria la acción de radiación electromagnética
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de luminosidad, de una cierta energía, típicamente va a ser radiación ultravioleta, a través de
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radicales libres del nombre de sustitución radicalicas. El ejemplo que quiero revisar con
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vosotros es uno de los más sencillos, es la halogenación de alcanos y en concreto el ejemplo
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que voy a revisar con vosotros es el más sencillo posible, la cloración del metano. Aquí tengo el
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metano, aquí tengo el dicloro, que es de donde van a provenir los átomos de cloro, para producir el
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clorometano. Si al dicloro le he quitado uno de los cloros para formar el clorometano y al metano
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le he quitado uno de los hidrógenos, me quedan libre un hidrógeno y un cloro, el otro producto
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de la reacción química va a ser el clorohidrógeno, el ácido clorhídrico. Esto es algo que va a
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transcurrir en medio ácido, como podéis ver. Bien, este tipo de reacciones de sustitución se
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caracterizan, aparte por tener radicales de por medio, por ser reacciones en cadena con sus tres
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etapas bien diferenciadas, iniciación, propagación y terminación. Es una de las
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primeras veces que, a pesar de haberlo mencionado anteriormente ya, voy a poder
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ver las tres etapas con vosotros y por eso me quiero detener un momento en
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hacer una pequeña revisión de cómo funciona este tipo de reacciones químicas.
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En este caso, la etapa de iniciación se corresponde con la formación de los
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radicales libres. En este caso, los radicales libres que se producen
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son los del cloro y así pues la primera reacción química que os planteo es el dicloro ganando una
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cantidad de energía suficiente típicamente proveniente de radiación ultravioleta se rompe
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la molécula se rompe homolíticamente cada cloro se queda con el electrón que había aportado al
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enlace químico formando dos radicales libres de cloro estos cloros son cloros atómicos nosotros
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esto anteriormente lo habríamos representado sin los puntitos y habremos puesto dicloro para
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producir dos cloros, dos átomos de cloro. En este contexto nosotros queremos dejar bien claro,
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estamos subrayando, estamos poniendo de manifiesto que estos átomos tienen un electrón en un orbital
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que está desapareado y que es el causante de la reactividad del átomo, va a ser el causante de la
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reacción química y lo que estamos haciendo es poner ese electrón de manifiesto señalando este
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punto. Esto ya os digo, nosotros no lo habríamos hecho anteriormente y en este momento sí es algo
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característico de las reacciones de la química orgánica. Si tenemos un radical libre lo vamos
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a señalar con este puntito de aquí. Así pues la etapa de iniciación, aquella en la que se producen
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los radicales libres que van a originar la reacción en cadena, sería esta. Los átomos, perdón, las
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moléculas de dicloro se rompen en sus átomos constituyentes, que están así representados como
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radicales libres, por la acción de una cierta radiación con energía suficiente que va a ser
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radiación ultravioleta. Estos radicales libres son sustancias terriblemente reactivas y eso quiere
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decir que van a buscar reaccionar entre sí para volver hacia atrás y volver a formar dicloro. Esto
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no tiene interés, sería una reacción de ida y vuelta y en este momento no veríamos nada, no veríamos
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ningún tipo de reacción química, pero si esto ocurre en presencia de metano, puede
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ocurrir, y de hecho ocurre, que uno de los radicales libres de cloro se presente junto
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a una molécula de metano. En el caso de las moléculas de metano, lo que tengo es un átomo
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de carbono, os recuerdo, con hibridación sp3, con los orbitales híbridos sp3 dirigidos
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hacia los vértices de un tetraedro regular. En cada uno de esos orbitales había uno de
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los cuatro electrones desapareados del átomo de carbono, que estaría formando enlace con
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cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno. Así pues, cuando el radical libre de cloro
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se aproxima al metano, se aproxima no al carbono, sino a uno de los hidrógenos que se encuentran
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envolviendo a la molécula. Fijaos que este es otro de los puntos donde puedo hacer mención
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de la geometría molecular. Cómo están distribuidos los átomos dentro de la molécula permiten
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explicar por qué ciertas especies químicas, atómicas, perdón, dentro de la molécula reaccionan
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en lugar de otras. En este caso, por ejemplo, ¿por qué el radical libre cuando ataca o cuando
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reacciona con una molécula de metano lo que hace es llevarse un átomo de hidrógeno? ¿Por qué
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reacciona con el hidrógeno, no con el carbono? Pues bien, porque los hidrógenos son lo que se
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encuentran, es lo que está por fuera en la molécula. El átomo de carbono se encuentra en el interior,
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protegido, digámoslo así, por los hidrógenos. Por esa razón no es de extrañar que el radical
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libre de cloro, al aproximarse a la molécula de metano, lo que haga en realidad es aproximarse
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a uno de los átomos de hidrógeno. Este electrón desapareado del cloro es terriblemente reactivo y
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lo que va a hacer es, aproximándose a la molécula de metano, llevarse para sí uno de los cuatro
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hidrógenos que se encontraban rodeando al átomo de carbono. Se lleva al hidrógeno con su electrón.
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Lo que produce es una ruptura también homolítica del enlace del hidrógeno que se está llevando con
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el átomo de carbono. De tal manera que este átomo de cloro se lleva consigo un átomo de hidrógeno y
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su electrón. El electrón desapareado del hidrógeno junto con este electrón desapareado que hemos
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puesto aquí de manifiesto van a formar un enlace covalente y a tener cloruro de hidrógeno. Aquí
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tenía cloruro de hidrógeno como producto, no me extraña que me aparezca. Y lo que ha pasado es
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que el enlace entre el carbono y el hidrógeno se ha roto de forma homolítica. Pues bien, el átomo
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de carbono, lo que tengo a la derecha, el carbono junto con los tres hidrógenos, lo que me queda
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después de quitarle el hidrógeno es a su vez un radical libre, se ha producido una ruptura
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homolítica. Y aquí lo que tengo es lo que nosotros llamaríamos un grupo metilo, un radical libre de
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metilo. Metilo no metano porque aquí lo que tengo es una cadena, un radical. Bien, pues aquí lo que
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ha pasado en esta primera fase, en esta primera etapa de la fase de propagación, es que el radical
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libre que se inició como cloro se ha propagado del cloro al metano formando un metilo. De ahí el
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nombre de propagación. Así que yo comencé teniendo dicloro, se produce la ruptura homolítica por la
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acción de una radiación de energía suficiente, radiación ultravioleta, obtengo radicales libres
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de cloro. Estos radicales libres de cloro son capaces de atacar las moléculas de metano, robar
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un hidrógeno, producir una ruptura homolítica del enlace de uno de los hidrógenos con el resto de
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molécula formándose cloruro de hidrógeno y radicales libres de grupo metilo. La fase de
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propagación continúa y es que estos grupos metilo, estos radicales libres metilo, son
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susceptibles de reaccionar o de atacar a moléculas de dicloro. Ocurre algo similar a lo que pasaba
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antes. Este electrón libre en este carbono del metilo es muy reactivo, es muy inestable y lo que
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va a hacer es buscar formar un enlace químico. Si ataca, se atacara a una molécula de dicloro, lo que
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va a hacer es romper homolíticamente el único enlace que tiene esta molécula, que es el de los
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cloros entre sí, y quedarse con uno de los cloros. Con su electrón, con el que obtiene cuando se
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produce la ruptura homolítica, es un electrón desapareado que lo que va a hacer es aparearse
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con este otro electrón del átomo de carbono formando un enlace covalente. ¿Qué es lo que
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obtendría? En ese caso lo que obtendría es el clorometano por un lado y aquí lo que tengo es
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otro radical libre de cloro, el que proviene de este dicloro. Fijaos que si yo sumara estas dos
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reacciones químicas, lo que tengo, perdón, en última instancia es que el metano con el dicloro
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produce por un lado el clorometano, cuando he quitado un hidrógeno y he añadido uno de estos
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cloros, me queda libre un hidrógeno y un cloro, el que he quitado de aquí hidrógeno y el que me
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queda libre de aquí el cloro, que forman el cloruro de hidrógeno. Y aquí lo tengo. Este metilo que se
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forma en este primer paso es el mismo metilo que se consume en este segundo. Y si yo sumo estas dos
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reacciones químicas, no lo apreciaría. Aquí lo que tenía inicialmente era un radical libre de cloro.
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No es el mismo, pero obtengo. Al final de este proceso, cuando he sumado estos dos pasos, también
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he obtenido un radical libre de cloro. Así pues, la reacción química en última instancia, si no
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fuera por el radical libre de cloro, esta reacción química, que yo es la que observo desde el punto
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de vista macroscópico, se corresponde con la suma de todas las reacciones que tengo en la fase de
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propagación. Una vez que he formado el radical libre de cloro, que si os dais cuenta es el que
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inicia la reacción química, el que la posibilita al atacar la molécula de metano, que es perfectamente
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estable, pues una vez que he formado este radical libre de cloro, lo que ocurre es que el metano es
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capaz de ir reaccionando con el dicloro para producir en última instancia, que es en lo que
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yo tengo interés, el cloro metano y como producto espurio, algo en lo que en principio no tengo
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interés, el cloro de hidrógeno. Este radical libre de cloro, insisto, no es el mismo que tenía
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anteriormente, pero desde el punto de vista del conteo de especies químicas, yo inicié todo esto
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con un radical libre de cloro, tengo un radical libre de cloro. Yo lo que veo es que, desde el
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punto de vista macroscópico, no ha formado parte de la reacción química. Si lo tenía al principio
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y lo tengo al final, en el fondo es como si no hubiera participado. En el fondo, y entre paréntesis,
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es como si hubiera sido una especie de catalizador. Es algo que posibilita la reacción química y la
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posibilita desde el momento en el que roba un hidrógeno aquí para producir el grupo metilo,
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que es a su vez quien ataca al dicloro para producir el clorometano.
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El clorometano no se forma si no hubiera tenido este metilo
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y este metilo no se hubiera formado si no hubiera tenido el radical libre de cloro.
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Desde ese punto de vista y así entre nosotros podemos pensar
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en que este radical libre actúa como si fuera un catalizador,
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aunque no cumpla con las propiedades de los catalizadores
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desde el punto de vista de la definición que dimos anteriormente
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en la unidad de cinética química.
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Pero podemos pensar de esa manera.
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Así pues, como he dicho hace un momento, resulta que estos radicales libres de cloro no participan de la reacción química.
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Si participan, este radical libre no es el mismo que este otro, pero desde el punto de vista macroscópico no participan de la reacción química.
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Estos radicales libres de cloro, una vez que la reacción química se detiene, no son estables.
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Entonces necesito una cierta fase, una última fase de terminación en la cual todos los radicales libres, una vez que se finaliza la reacción química, se aniquilen, desaparezcan.
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Tengo dos posibilidades para las reacciones químicas en las cuales desaparecen los radicales libres de cloro.
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La primera es que dos radicales libres de cloro se combinen entre sí para formar un dicloro, la reacción inversa de la de iniciación.
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Y esta es una posibilidad que aquí queda reflejada en la fase de terminación.
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Otra posibilidad consiste en que radicales libres de cloro reaccionen con radicales libres metilo. No tengo un único metilo, no tengo dos únicos radicales libres de cloro. Lo que está produciéndose es una reacción continua en la que se están formando continuamente dicloros, una reacción continua en la que se están formando metilos.
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Y podría ser que en un momento dado, pues un radical libre de cloro y un radical libre de metilo se encontraran entre sí.
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Igual de fácil que es que dos radicales libres de cloro coincidan.
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En ese caso es bien sencillo.
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Los dos extremos van a tener un electrón libre en un orbital desapareado.
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Se van a solapar los orbitales, se va a formar el enlace covalente que estamos esperando.
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Y entonces, si yo tuviera dos radicales libres de cloro, obtendría un dicloro.
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Si tuviera un radical libre metilo y un radical libre de cloro, lo que obtenería es un clorometano.
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Fijaos que, salvo estas dos reacciones juntas, que me permiten propagar el proceso,
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porque este radical libre de cloro que vuelve a liberarse aquí es susceptible de volver a atacar a un metano y volver a continuar el proceso,
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siempre que se produzca alguna de estas dos reacciones químicas, los agentes de la reacción química, que son los radicales libres,
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se cancelan. Yo aquí tenía y aquí ya no tengo, yo aquí tenía
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y yo aquí ya no tengo. Así pues, la reacción
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de iniciación es aquella que produce los radicales libres. Las reacciones
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o en este caso las, pero puede ser solamente una, las reacciones de terminación
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son aquellas que aniquilan entre sí radicales libres para
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producir sustancias que no son radicales. En las fases
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en las reacciones de la fase de propagación, lo que voy a obtener son reacciones
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en las cuales un radical libre pasa de un extremo a otro. Aquí yo tengo un electrón desapareado en
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el átomo de cloro. Cuando se ha producido la reacción química, el electrón desapareado va a
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estar en el átomo de carbono. En esta otra reacción química, el radical libre, el electrón desapareado
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estaba en el átomo de carbono. Cuando ha transcurrido la reacción química, el radical libre se encuentra
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en el átomo de cloro. En el aula virtual de la asignatura tenéis disponibles otros recursos
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ejercicios y cuestionarios. Asimismo, tenéis más información en las fuentes bibliográficas y en la
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web. No dudéis en traer vuestras dudas e inquietudes a clase o al foro de dudas de
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la unidad en el aula virtual. Un saludo y hasta pronto.
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- Idioma/s:
- Autor/es:
- Raúl Corraliza Nieto
- Subido por:
- Raúl C.
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial - Sin obra derivada
- Visualizaciones:
- 12
- Fecha:
- 24 de agosto de 2021 - 15:09
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ARQUITECTO PEDRO GUMIEL
- Duración:
- 21′ 11″
- Relación de aspecto:
- 1.78:1
- Resolución:
- 1024x576 píxeles
- Tamaño:
- 38.12 MBytes
