Carbono en los alimentos
El carbono es un elemento único en la naturaleza, puede formar un gran numero de compuestos. Se encuentra libre en la corteza terrestre en diferentes formal alotrópicas y también formando compuestos en diversos minerales como caliza, dolomita, yeso , mármol, carbonatos entre otros.En la atmósfera podemos hallarla en el dióxido y monóxido de carbono.
Una característica importante del carbono es la gran variedad de compuestos que forma cuando se combina con hidrógeno , oxígeno, nitrógeno y otros elementos , que son la base principal de la composición de todos los seres vivos , animales, vegetales es por eso que se les conoce como compuestos orgánicos.
Una fuente para la obtención de compuestos orgánicos es el petroleo debido a la gran cantidad de derivados que se pueden extraer de esa mezcla compleja de compuestos del carbono. Los derivados del petroleo tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas ramas como: energética , alimenticia, textil, farmacéutica, etc.
Propiedades del carbono
El carbono es un elemento que se encuentra en la atmósfera, en la materia mineral y en los seres vivos, su característica mas importante es su extraordinaria capacidad de combinación , cada uno de sus átomos puede compartir hasta cuatro electrones con otros átomos de este modo puede formar largas cadenas que pueden ser lineales, ramificadas o anillos, los átomos de carbono se pueden enlazar con otros elementos y formar una gran variedad de compuestos , actualmente se conocen 2 millones de compuestos de carbono .
En la tabla periódica el carbono es el primer elemento de la familia IVA, es un no metal. Se une químicamente con otros elementos para formar compuestos inorgánicos como carburos(CaC2), óxidos(CO2) y sales (Na2CO3), pero también forma un gran numero de compuestos orgánicos también llamados compuestos de carbono , los cuales forman parte de las estructuras de los organizamos vegetales y animales , y a su vez son la fuente principal de la alimentación humana.
Alotrópos
Aunque dos materiales se vean diferentes pueden estar hechos con la misma materia como es el el caso del grafito y el diamante que aunque su apariencia y sus propiedades sean totalmente diferentes se trata de la misma sustancia , sus diferencias se deben a la forma en que sus átomos se entrelazan y se distribuyen adquiriendo estructuras diferentes que establecen formas y características distintas. El grafito tiene exactamente el mismo numero de átomos que el diamante , pero sus átomos de carbono se encuentran unidos de forma diferente por lo que también es diferente su estructura, fuerza y color. A las diferentes estructuras de sustancias con el mismo tipo de átomos se les conoce como formas alotrópicas. El diamante y el grafito son dos de los alotrópos naturales mas abundantes del carbono.
El modelo de Bhor y de Lewis nos explican la estructura atómica del carbono:
Enlaces
El metano es el compuesto mas pequeño de todos los compuestos que se pueden llegar a formar cuando se combinan átomos de carbono e hidrógeno
Otras representaciones del metano pueden ser:
Enlaces que forma el carbono
Los enlaces covalentes se pueden formar entre los átomos de carbono al compartir sus electrones, los electrones sin pareja también pueden formar otros enlaces.
¿Cómo se representan los enlaces ?
En las estructuras desarrolladas es muy común representar a los enlaces como una linea que une a los dos símbolos de los elementos .
Hidrocarburos
Los átomos de carbono se enlazan químicamente entre si y forman largas cadenas lineales o ramificadas , que se forman de una mínima cantidad de átomos hasta miles de ellos , también pueden formar anillos , gracias a esta característica el carbono es un elemento considerado único en la naturaleza lo que le permite formar una gran cantidad de compuestos a esta propiedad se le llama concatenación. Los átomos de carbono siempre van a formar cuatro enlaces covalentes . Los enlaces carbono-carbono pueden ser simples, dobles o triples.
En las formulas desarrolladas de los compuestos orgánicos los átomos de C tendrán cuatro enlaces representados por lineas , el átomo de hidrógeno al combinarse químicamente solo puede formar un solo enlace que se representa con una linea.
Hidrocarburos(HC):
Su estructura y composición es una de las mas simples , se clasifican en alifáticos y aromáticos.
Alifáticos
Son HC de cadenas abiertas o cerradas y se clasifican en saturados e instaurados dependiendo de la cantidad de átomos de hidrógeno y esta determinado por las uniones carbono-carbono simples, dobles y triples llamados alcanos, alquenos y alquinos. Acontinuacion se representan las formulas desarrolladas y semidesarrolladas , y son ejemplos de HC alifáticos:
Aromáticos:
Son HC cíclicos contienen la estructura básica del benceno C6H6.
Las imágenes anteriores son diferentes representaciones del benceno.
Hidrocarburos saturados:
Son aquellos compuestos que tienen el máximo de átomos de hidrógeno ( están saturados de hidrógeno )en su estructura molecular , solo presentan enlaces sencillos : C-C ó C-H, los HC tambien son llamados Alcanos o parafinas
Esta es la formula desarrollada y semidesarrollada del Etano, este es un hidrocarburo saturado cuya formula condensada es C2H6
Hidrocarburos instaurados:
Son aquellos compuestos que tienen al menos un enlace doble o triple entre los átomos de carbono que lo forman gracias a que los átomos de carbono al unirse entre si con enlaces múltiples agotan las posibilidades de poder enlazarse con el hidrógeno, la cantidad de hidrógenos es menor que en los HC saturados, los HC instaurados se dividen en Alquenos y Alquinos . Son ejemplos de hidrocarburos instaurados:
Propino C
3H
4
EtenoC
2H
4
Alcanos:
Son aquellos hidrocarburos que solo presentan enlaces covalentes simples que pueden ser en cadena abiertas o cerradas, ramificadas o lineales, su formula general de los lineales o ramificados es C
nH
2n+2, pero si su estructura es ciclica su formula es C
nH
2n.
Alquenos:
Son hidrocarburos que tambien son llamados olefinas , en su composición tienen menos átomos de hidrógeno que el alcano en su estructura se encuentra por lo menos un enlace doble. Su formula general para cadenas abiertas o ramificadas es: C
nH
2n
Alqueno C
4H
8
Alquinos:
En su estructura se encuentra por lo menos un enlace triple , también son llamados acetilénicos, su formula para cadenas abiertas ya sea lineales o ramificadas es: C
nH
2n-2.
Formula semidesarrollada del alqino de cadena abierta, formula condensada: C
4H
6.
Hidrocarburos lineales:
Esta constituido por una sola cadena de átomos de carbono ya sea abierta o cíclica, se clasifica como lineal, la cadena lineal de los HC se aprecia mejor en sus formulas semidesarrolladas , por ejemplo:
Hidrocarburos ramificados:
Se consideran ramificadas a la cadena de mayor numero de átomos de carbono , es considerada una cadena principal , y las cadenas adicionales se consideran ramificaciones. En un HC cíclico toda cadena adicional a este se considera una ramificación.
Formulas y nomenclatura de Hidrocarburos
Son algunas de las formas en que se pueden representar las estructuras de los hidrocarburos : la desarrollada, semidesarrollada , de esqueleto, de esferas y palos, y la condensada , cada una de ellas tiene sus reglas de construcción .
La estructura desarrollada: muestra todos los enlaces que se establecen entre los átomos de carbono e hidrógeno en una estructura plana.
Ea la semidesarrollada: se agrupan los hidrógenos al átomo de carbono con el que se encuentran enlazados, de cada átomo de carbono se forman estructuras cortas.
De esqueleto: consiste en trazar lineas en zig-zag donde los extremos son los átomos de carbono unidos mediante lineas sencillas dobles o triples, los hidrógenos no se representan.
De esferas y palos: los átomos son esferas compactas que se unen formando el acomodamiento de los átomos de carbono e hidrógeno.
Condensada: se agrupan todos los átomos de carbono e hidrógeno, es útil para ver su composición pero no su estructura.
Nomenclatura de hidrocarburos
El numero de las moléculas de los HC esta relacionado con sus nombres , de acuerdo a la IUPAC se deben utilizar las raíces griegas para indicar el numero de átomos que forman la cadena o ramificación.
Para nombrar un hidrocarburo lineal de cadena abierta:
1.-Se cuenta el numero de átomos de carbono y se elige la raíz griega correspondiente
2.-Se identifica el tipo de enlaces que hay ; sencillo , doble o triple , para dar terminación del nombre.
3.-Si hay enlace doble o triple, se enumeran los átomos de carbono asignándole la menor posición al enlace múltiple.
4.-Se nombra el hidrocarburo empezando por la posición del enlace doble o triple y posteriormente se escribe el nombre de la cadena principal.
Para nombrar hidrocarburos de cadena abierta ramificada:
1.-Se cuenta el numero de átomos de carbono de la cadena mas larga y en caso de que tenga enlace doble o triple , se enumeran los átomos de carbono asignándoles la menor posición al enlace múltiple para asignarle nombre a la cadena principal.
2.-Se identifican las ramificaciones y el numero de átomos de carbono que las forman para asignarles nombre , se utilizan las mismas raíces griegas pero se les da terminación -il.
3.-Se nombra la estructura enlistando las ramificaciones en orden alfabético indicando su posición, y posteriormente se nombra la cadena principal.
Compuestos del carbono
El carbono forma una gran cantidad de compuestos no solo con el hidrógeno sino también enlazándose con otros elementos como el oxigeno, nitrógeno con azufre , o con diferentes elementos a la vez, un ejemplo de esto es la vitamina B1
La vitamina B1 tiene una acción benéfica para el sistema nervioso y la actitud mental. Favorece el crecimiento y ayuda a la digestión de carbohidratos y lípidos .La estructura de la vitamina B1 es la responsable de tales propiedades.
En la imagen se observan los átomos de nitrógeno y de azufre indicando el numero de enlaces que se había presentado con los modelos de Lewis : son tres enlaces para loa átomos de nitrógeno y dos para los de azufre.
Son ejemplos entre estructuras de carbono y otros elementos , que son estructuras básicas de macromoléculas del ADN.
Isomería
El carbono al unirse a otros átomos de carbono produce gran variedad de compuestos. A partir de 4 átomos de carbono se pueden encontrar dos o mas compuestos con la misma formula general o condensada, pero sus distribuciones atómicas son diferentes, es decir que sus estructuras no son iguales. Por ejemplo la formula condensada del butano C4H10 puede representar a las dos estructuras siguientes
En las formulas hay 4 átomos de carbono y 10 de hidrógeno, pero su estructura cambia por la distribución de los átomos. Estos compuestos reciben el nombre de isómeros que tienen la misma composición atómica , pero diferente formula estructural , por eso es importante conocer la formula desarrollada o desarrollada.
Entre mayor sea el numero de átomos en un compuesto mayores son las posibilidades de formar diferentes isómeros .
La isómeria estructural se divide en 3:
-Cadena: es la que presentan las sustancias cuyas formulas son diferentes únicamente en la distribución de los átomos de carbono
-De posición:es la que presenta sustancias suyas formulas estructurales son diferentes únicamente en la posición de su grupo funcional sobre el esqueleto de carbonos.Ejemplo:
-De fusión :presenta sustancias con la misma formula molecular teniendo diferente grupo funcional. Por ejemplo C3H6O puede corresponder a la molecula éter etil-metílico (funcion eter), o al 2 propanol(función alcohol).
Relación entre la estructura de las moléculas y las propiedades de los compuestos
Los isómeros presentan diferentes propiedades debido a su estructura, esto se puede observar en el siguiente cuadro comparativo de los isómeros C5H12
En la tabla se puede apreciar que al aumentar el numero de ramificaciones en la estructura el punto de ebullición disminuye y el estado físico cambia .
Bibliografía
Libros:
Dingrando,L. et al. (2002). Química, Materia y Cambio.Colombia:McGraw-Hill
García, J.y Ortega, F(2004).Periodicidad Química. México: Trillas
Espriella, A(2011).Química Organica Básica. Un acercamiento a la estructura en e nivel nanoscópico para explicar lo macroscópico.México: Universidad Autónoma de México,UAM
Ejercicios :de los hidrocarburos
