Electroquímica

Introducción a la Electroquímica

La electroquímica estudia los cambios químicos producidos por una corriente eléctrica y la generación de electricidad mediante reacciones químicas. En toda reacción electroquímica hay transferencia de electrones, por lo tanto, son reacciones de oxidorreducción.

Celda Electroquímica

Los procesos electroquímicos requieren un método para introducir y retirar electrones en un sistema químico reaccionante. Este sistema se encuentra en una celda electroquímica. La corriente eléctrica entra o sale a través de electrodos.

Tipos de Celdas Electroquímicas

• Celdas Galvánicas: Reacciones químicas espontáneas producen electricidad que sale a un circuito externo. La energía química se transforma en energía eléctrica.
• Celdas Electrolíticas: La energía eléctrica de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas (electrólisis).

Ejemplo: Pila de Daniells

Zn (s) → Zn²⁺ (ac) + 2e^–
Cu²⁺ (ac) + 2e^– → Cu (s)
Zn (s) + Cu²⁺ (ac) → Zn²⁺ (ac) + Cu (s)

Diagrama de Celda (Notación)

Zn(s)|Zn²⁺(ac, 1M)|KCl (saturado)|Cu²⁺(ac, 1M)|Cu(s)
ánodo            Puente salino   cátodo
Zn(s)|Zn²⁺(ac, 1M)||Cu²⁺(ac, 1M)|Cu(s)

Potencial Estándar de Electrodo

Es la tendencia de algunos elementos a ceder o captar electrones, medida en fuerza electromotriz (FEM) o voltaje. Una reacción de reducción en un electrodo a 25°C y concentraciones molares de 1 M tiene un potencial estándar de reducción (εº). Se toma como patrón el hidrógeno (H) con εº = 0 V:
H₂ → 2H⁺ + 2ē, εº = 0 V

Espontaneidad de una Reacción Electroquímica

• FEM (ε) positivo: Reacción tiende a producirse (forma oxidativa + ne^– = forma reducida).
• FEM (ε) negativo: Sentido opuesto (forma reducida = forma oxidada + ne^–).

La FEM predice la espontaneidad: εº celda = εº oxidación + εº reducción
εº > 0: Espontánea
εº < 0: No espontánea

Los valores de εº se aplican a semi-reacciones de izquierda a derecha.

• εº más positivo: Mayor tendencia a la reducción, mejor agente oxidante.
• εº más negativo: Mayor tendencia a la oxidación, mejor agente reductor.

Aspectos Cuantitativos: Ecuación de Nernst

El potencial de un sistema se altera al modificar las concentraciones. Se corrige con la Ecuación de Nernst. Para una reacción:
aA + bB ⇔ cC + dD, K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b
ε = εº – 0,0591/n log K
Donde:
ε: Potencial tras la variación de concentración
εº: Potencial de la celda
n: Número de electrones transferidos

Química Orgánica

Introducción a la Química Orgánica

La química orgánica estudia los compuestos del carbono (número atómico 6, segundo período: ₆C = 1s² 2s² 2p²).

Estructura Atómica: Configuraciones Electrónicas

• Se llenan primero los orbitales de menor energía (principio de Aufbau).
• Cada orbital aloja dos electrones de espín opuesto (principio de exclusión de Pauli).
• Orbitales vacíos de igual energía: un electrón en cada uno con espines paralelos (regla de Hund).

Naturaleza del Enlace Químico: Enlaces Covalentes

Las estructuras de Lewis permiten visualizar la “contabilidad” de los electrones de valencia.

Formación de Enlaces Sigma (σ) y Pi (π)

• Dos orbitales 1s: Enlace sigma (σ).
• Orbital 1s y orbital 2p: Enlace sigma (σ).
• Dos orbitales 2p: Enlace sigma (σ) o enlace pi (π) si los ejes son perpendiculares al enlace σ.

Orbitales Moleculares e Híbridos

• Orbitales de átomos diferentes: Orbitales moleculares (enlace).
• Orbitales del mismo átomo: Orbitales atómicos híbridos (geometría del enlace).

Hibridación

El carbono no usa los orbitales 2s y 2p puros, sino que se redistribuyen formando orbitales híbridos. Este proceso se llama hibridación.

Hibridación sp³

Combinación de un orbital s y tres orbitales p. Se forman cuatro orbitales híbridos sp³ equivalentes, dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular (ángulos de 109,5°).

Hibridación sp²

Combinación de un orbital s y dos orbitales p (un orbital p libre). Se forman tres orbitales híbridos sp² equivalentes en un plano trigonal (ángulos de 120°).

Hibridación sp

Combinación de un orbital s y un orbital p (dos orbitales p libres). Se forman dos orbitales híbridos sp equivalentes en una geometría lineal (ángulos de 180°).

Ejemplos de Hibridación

• Metano (CH₄): Cuatro enlaces sigma C-H, hibridación sp³.
• Eteno (C₂H₄): Tres orbitales híbridos sp² y un orbital p libre.
• Etino (C₂H₂): Dos orbitales híbridos sp y dos orbitales p libres.

Hibridación de otros átomos: Nitrógeno (N)

Ejemplo: NH₃. El nitrógeno se hibrida sp³, con una estructura piramidal similar al metano.

Determinación de la Hibridación

• C1 y C2: sp
• C3 y C4: sp²
• C5 y C6: sp³

Representación de los Compuestos Orgánicos

• Fórmulas Moleculares: Símbolos atómicos y su número como subíndice (no indican conectividad ni distribución espacial).
• Fórmulas Expandidas: Se representan todos los átomos y enlaces.
• Fórmulas Semi Expandidas: Se omiten los enlaces C-H, se usan subíndices.
• Fórmulas Simplificadas: Líneas en zig-zag para la cadena carbonada, se omiten los H unidos a C, se incluyen heteroátomos.
• Estructuras Tridimensionales: Se basan en el carbono tetraédrico, usando cuñas para indicar la posición de los átomos respecto al plano.

Hidrocarburos

Compuestos orgánicos formados por carbono e hidrógeno.

Tipos de Hidrocarburos

• Saturados: Alcanos (solo enlaces simples C-C).
• Insaturados: Alquenos, alquinos, aromáticos (con enlaces dobles o triples).

Alcanos

Los cuatro primeros alcanos son metano, etano, propano y butano. El resto se nombra con prefijos griegos y la terminación -ano.

Tabla de Alcanos

Reglas IUPAC para Alcanos

1. Cadena principal: la más larga con más sustituyentes.
2. Numeración: desde el extremo que dé menores números a los sustituyentes.
3. Sustituyentes: nombre del alcano con terminación -il.
4. Sustituyentes iguales: prefijos di-, tri-, etc., cada uno con su numeración.
5. Sustituyentes en posiciones equivalentes: menor número al que se cite primero alfabéticamente.
6. Orden alfabético para nombrar sustituyentes (prefijos di-, tri-, sec-, tert- no se consideran, iso-, neo-, ciclo- sí).

Temperatura de Ebullición y Fusión de Alcanos

A mayor tamaño de la cadena, mayor temperatura de ebullición y fusión.