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Estructura de butano e isobutano: isómeros y esquema del petróleo

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Respuesta rápida

3.a Tienen la misma fórmula $\mathrm{C_4H_{10}}$ : son isómeros de cadena (lineal vs. ramificada). 3.b Sí; la geometría determina las fuerzas intermoleculares y la reactividad (butano $T_b\approx-0{,}5\,^{\circ}\mathrm{C}$ ; isobutano $-11{,}7\,^{\circ}\mathrm{C}$ ). 3.c Butano: combustible, GLP, encendedores, aerosoles. Isobutano: refrigerante R-600a, propelente y gasolina de alta octanaje. 3.d Encender la hornilla de la cocina (los gases se expanden al bajar la presión). 3.e Porque de ellos dependen energía, transporte e industria; se aplica al elegir combustibles, leer etiquetas y prevenir accidentes. 4 Esquema: características, ventajas y desventajas de la extracción petrolera.

📚 exercise quimica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 12 min lectura

Solución — Página 115

Quimica 1° · 2024

Ejercicio 3

Observo las representaciones estructurales de butano e isobutano y respondo las preguntas.

Parte 3.a

¿A qué se debe que los dos hidrocarburos tengan la misma fórmula molecular?

Conto los átomos en cada estructura: el butano tiene 4 átomos de carbono y 10 de hidrógeno, es decir $\mathrm{C_4H_{10}}$ .
El isobutano también posee 4 átomos de carbono y 10 de hidrógeno: $\mathrm{C_4H_{10}}$ .
Ambas moléculas cumplen la regla general de los alcanos, $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ con $n=4$ : $\mathrm{C_4H_{2\times4+2}}=\mathrm{C_4H_{10}}$ .
La diferencia es únicamente el orden de enlace: en el butano los carbonos se enlazan en una cadena lineal ( $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_3}$ ) y en el isobutano forman una cadena ramificada ( $\mathrm{(CH_3)_3CH}$ , 2-metilpropano).
Por eso son isómeros de cadena: misma fórmula molecular, distinto enlace entre los átomos.

Respuesta

Porque ambas moléculas tienen el mismo número de átomos ( $\mathrm{C_4H_{10}}$ ), cumplen $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ con $n=4$ , y solo cambia la distribución de los carbonos en la cadena (lineal vs. ramificada): son isómeros.

Parte 3.b

¿La geometría molecular condiciona las propiedades físicas y químicas de estas moléculas? ¿Por qué?

El butano presenta una cadena lineal, mayor superficie de contacto entre moléculas y mayor área de efecto van der Waals.
El isobutano es más esférico y compacto; sus moléculas se contactan menos.
Físicamente, a presión atmosférica el butano hierve a aproximadamente $-0{,}5\,^{\circ}\mathrm{C}$ y el isobutano a $-11{,}7\,^{\circ}\mathrm{C}$ ; el isobutano tiene menor temperatura de ebullición, menor densidad y menor viscosidad porque las fuerzas intermoleculares de tipo London son más débiles.
Químicamente, la geometría (y el número de hidrógenos terciarios) determina la reactividad: el carbono terciario del isobutano forma radicales más estables, por lo que su reactividad es distinta de la del butano.

Respuesta

Sí. La geometría molecular define el contacto entre moléculas (propiedades físicas: fusión, ebullición, densidad, viscosidad, solubilidad) y la disponibilidad de los átomos para reaccionar (propiedades químicas), por lo que, aunque tengan la misma fórmula, presentan comportamientos distintos.

Parte 3.c

¿Qué aplicaciones tiene el butano y el isobutano?

Butano: combustible en hornos y calentadores domésticos, gas licuado de petróleo (GLP) mezclado con propano, gasolina de encendedores, aerosoles y fabricación de butadieno (caucho sintético).
Isobutano: refrigerante ecológico $\mathrm{R\text{-}600a}$ en refrigeradores y aires acondicionados, propelente de aerosoles (sustituye clorofluorocarbonos), combustible para encendedores y precursor de gasolina de alta octanaje (isomerización y alquilación) y de butadieno.

Respuesta

El butano se usa como combustible doméstico, GLP, gasolina de encendedores y aerosoles; el isobutano como refrigerante R-600a, propelente de aerosoles y en la producción de gasolina de alta octanaje.

Parte 3.d

¿En qué actividad de la vida cotidiana se puede evidenciar la aplicación de esta ley de los gases?

Al abrir la llave del gas de la cocina, el gas fluye desde un cilindro de mayor presión hacia la mecha: los gases se expanden cuando disminuye la presión.
Al encender un hornillo de gas, se eleva la temperatura y el gas se expande.
Al inflar el neumático de una bicicleta, se aumenta la presión del aire dentro del cubierta (presión inversamente proporcional al volumen, ley de Boyle).
También al encender una hornilla de gas licuado o al usar un aerosol, donde el vapor se expulsa porque el interior está a mayor presión que el ambiente.

Respuesta

Al encender la hornilla de la cocina: el gas sale del cilindro porque su presión interna es mayor que la atmosférica y se expande al disminuir la presión (como ocurre al inflar un neumático o al liberar la presión en un aerosol o cilindro de gas).

Parte 3.e

¿Por qué es importante aprender sobre los hidrocarburos? ¿En qué condiciones de la cotidianidad lo podría aplicar?

Los hidrocarburos son la base de la industria petroquímica: plásticos, fármacos, textiles, combustibles y materiales de construcción.
Comprenderlos permite interpretar etiquetas de productos (combustibles, aerosoles, refrigerantes), elegir energéticos más limpios y entender los riesgos de derrames e incendios.
Su estudio es clave para la transición energética: permite valorar sustitutos renovables y reducir emisiones de $\mathrm{CO_2}$ .

Respuesta

Porque de ellos dependen el transporte, la energía y la industria química moderna; se aplica cotidianamente al elegir combustibles, leer etiquetas de productos que contienen hidrocarburos, prevenir incendios y valorar opciones más limpias de energía.

Ejercicio 4

Elaboro un esquema que represente las características del petróleo y las ventajas y desventajas de su extracción.

Características del petróleo

Es una mezcla natural de hidrocarburos líquida, de olor y color característicos (marrón a negro).
Presenta componentes de distinto peso molecular: desde metano ( $\mathrm{CH_4}$ ) hasta asfaltos; se separa por destilación fraccionada.
Se forma por la descomposición de organismos prehistóricos bajo presión y temperatura durante millones de años.
Es un recurso natural no renovable, limitado y distribuido de forma desigual en el territorio.
Su punto de inflamación es bajo: es inflamable y tóxico para la salud y los ecosistemas.

Ventajas de la extracción petrolera

Genera divisas y empleo directo e indirecto, sostiene la economía y los ingresos del Estado.
Permite producir combustibles y gran variedad de productos derivados (plásticos, fertilizantes, fármacos).
Contribuye a la matriz energética y a la industria de transformación local.
Impulsa infraestructura (vías, comunicaciones, servicios) en las zonas productoras.

Desventajas de la extracción petrolera

Es un recurso no renovable: su extracción agota las reservas y deja depender de fuentes internacionales.
Los derrames contaminan suelos, ríos y lagunas, dañan la fauna, la flora y la acuicultura y comprometen el agua de consumo humano.
La quema (sobrantes de gas) y la fuga de vapores generan emisiones de $\mathrm{CO_2}$ , $\mathrm{SO_2}$ , $\mathrm{CH_4}$ y compuestos orgánicos volátiles que producen calentamiento global, lluvia ácida y efectos sobre la salud.
Implica riesgos de accidentes, conflictos sociales y afectación de culturas ancestrales en territorios indígenas.
La economía se vuelve dependiente del precio internacional del crudo ("enfermedad holandesa").

Respuesta

El esquema muestra que el petróleo es una mezcla de hidrocarburos no renovable; entre sus ventajas están el empleo, las divisas y los productos derivados, y entre sus desventajas, la contaminación por derrames, las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de un recurso finito.

Contenido de la página

3. Observo las representaciones estructurales de los siguientes hidrocarburos y respondo las preguntas

Butano — cadena lineal:

        H  H  H  H
        |  |  |  |
    H - C - C - C - C - H
        |  |  |  |
        H  H  H  H

Fórmula: $\mathrm{C_4H_{10}}$ ; nombre: n-butano (butano).

Isobutano — cadena ramificada:

            H  H  H
            |  |  |
        H - C - C - C - H
            |     |
            H     C - H
                 |  \
                 H   H
                 |
                 H

Fórmula: $\mathrm{C_4H_{10}}$ ; nombre: isobutano (2-metilpropano).

Preguntas

¿A qué se debe que los dos hidrocarburos tengan la misma fórmula molecular?
¿La geometría molecular que presenta cada hidrocarburo condiciona las propiedades físicas y químicas de estas moléculas? ¿Por qué?
¿Qué aplicaciones tiene el butano y el isobutano?
¿En qué actividad de la vida cotidiana se puede evidenciar la aplicación de esta ley de los gases?
¿Por qué es importante aprender sobre los hidrocarburos? ¿En qué condiciones de la cotidianidad lo podría aplicar?

4. Considero que la actividad de extracción petrolera es la fuente más importante de la economía del Ecuador, sin embargo, es necesario analizar la pertinencia de continuar con la extracción de este recurso natural no renovable, así como las implicaciones para el ambiente que conllevan los derrames de petróleo en los suelos y fuentes de agua.

Elaboro un esquema que represente las características del petróleo, las ventajas y desventajas de su extracción.

Ejemplos resueltos

Verificar que butano e isobutano cumplen la fórmula general de los alcanos.

Para el butano: $n=4$ , entonces $\mathrm{C_4H_{2\times4+2}}=\mathrm{C_4H_{10}}$ . En su estructura cuento 4 C y 10 H, por lo que cumple la regla. Para el isobutano, también $n=4$ : $\mathrm{C_4H_{10}}$ ; al contar los átomos en la estructura ramificada se obtienen 4 C y 10 H, cumpliendo igualmente la fórmula general.

Tabla

Propiedad	Butano (n-butano)	Isobutano (2-metilpropano)
Fórmula molecular	$\mathrm{C_4H_{10}}$	$\mathrm{C_4H_{10}}$
Estructura	Cadena lineal	Cadena ramificada
Tipo de isomería	— (isómero normal)	Isómero de cadena
Punto de ebullición	$\approx -0{,}5\,^{\circ}\mathrm{C}$	$\approx -11{,}7\,^{\circ}\mathrm{C}$
Fuerzas intermoleculares	Más intensas (mayor superficie)	Más débiles (forma más compacta)
Usos principales	Combustible, GLP, encendedores, aerosoles	Refrigerante R-600a, propelente, gasolina de alta octanaje

Aspecto de la extracción petrolera	Desarrollo
Características	Mezcla de hidrocarburos de distinto peso molecular, origen fósil, inflamable, tóxico, no renovable, punto de ebullición variable
Ventajas	Divisas, empleo directo e indirecto, combustibles y productos derivados, infraestructura, ingresos fiscales
Desventajas	Recurso agotable, derrames que contaminan suelos y fuentes de agua, emisiones de $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{CH_4}$ , riesgos de accidentes, afectación a culturas y ecosistemas, dependencia económica del precio del crudo

Diagramas (2)

mindmap
  root((Petróleo))
    Características
      Mezcla de hidrocarburos líquida
      Origen fósil (organismos prehistóricos)
      Destilación fraccionada
      Inflamable y tóxico
      Recurso natural no renovable
    Ventajas
      Genera divisas y empleo
      Combustibles y productos derivados
      Plásticos, fertilizantes, fármacos
      Desarrollo de infraestructura
    Desventajas
      Recurso finito y no renovable
      Derrames contaminan suelos y agua
      Emisiones de CO₂, CH₄ y SO₂
      Cambio climático y lluvia ácida
      Riesgos y conflictos sociales
      Dependencia del precio internacional

graph TD
    A[Butano e isobutano: C4H10] --> B{Misma fórmula molecular}
    A --> C{Geometría molecular}
    B -->|Isómeros de cadena| D[Chain lineal CH3CH2CH2CH3]
    B -->|Isómeros de cadena| E[Cadena ramificada (CH3)3CH]
    C -->|Fuerzas de van der Waals| F[Propiedades físicas: Tb, ρ, η]
    C -->|Disponibilidad de átomos| G[Propiedades químicas: reactividad]
    D --> H[Tb ≈ -0,5 °C]
    E --> I[Tb ≈ -11,7 °C]
    H --> J[Combustibles, GLP, aerosoles]
    I --> K[Refrigerante R-600a, gasolina de alta octanaje]

Fórmulas y ecuaciones

Regla general de los alcanos: $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$

Ley de Boyle: $P_1V_1=P_2V_2$

$\mathrm{C_nH_{2n+2}}$

$\mathrm{C_4H_{10}}$

$P_1V_1$ = $P_2V_2$

$\mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_3}$

$\mathrm{(CH_3)_3CH}$

$T_b(@@MATH_0@@\mathrm{C}$

Glosario (8)

Isómeros: Compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente orden o distribución de los átomos, y por lo tanto propiedades distintas.
Isómeros de cadena: Moléculas con igual número y tipo de átomos pero distinto ordenamiento de la cadena carbonada (lineal o ramificada).
Butano (n-butano): Alcano de cuatro carbonos en cadena lineal, $\mathrm{C_4H_{10}}$, líquido inflamable usado como combustible.
Isobutano (2-metilpropano): Alcano de cuatro carbonos con cadena ramificada, $\mathrm{C_4H_{10}}$, usado como refrigerante y propelente.
Fuerzas de van der Waals: Atracciones intermoleculares débiles (fuerzas de London) que determinan el punto de ebullición y otras propiedades físicas.
Recurso no renovable: Recurso natural que se agota y cuya reposición natural tarda millones de años, como el petróleo.
Ley de Boyle: Al mantenerse la temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión: $P_1V_1=P_2V_2$.
Destilación fraccionada: Proceso por el cual se separan los componentes del petróleo según su punto de ebullición.

Preguntas para practicar

¿Por qué es importante aprender sobre los hidrocarburos? ¿En qué condiciones de la cotidianidad lo podría aplicar?

Porque los hidrocarburos son la base de la energía, el transporte y la industria petroquímica que produce plásticos, fármacos y textiles. Se aplican al elegir combustibles, leer etiquetas de aerosoles o solventes, prevenir incendios y valorar alternativas renovables para reducir las emisiones de CO₂.

¿En qué actividad de la vida cotidiana se puede evidenciar la aplicación de esta ley de los gases?

Al encender la hornilla de la cocina: el gas sale del cilindro porque su presión interna es mayor que la atmosférica y se expande al disminuir la presión. El mismo principio se observa al inflar un neumático o al usar un aerosol.

¿Cómo afectaría un derrame de petróleo a una laguna? ¿Qué consecuencias tendría para las comunidades?

El derrame formaría una película en la superficie que reduce el oxígeno disuelto, envenena peces, aves y cultivos acuícolas, contamina el agua de consumo y afecta el sustento económico de las comunidades y culturas ancestrales que dependen de la laguna.

Temas y conceptos clave

Isómería de cadena (butano e isobutano)Estructura y fórmula molecular de los alcanosGeometría molecular y propiedades físicas/químicasAplicaciones de los hidrocarburosLeyes de los gases en la vida cotidianaEl petróleo: características, explotación e impacto ambientalisómerosisómeros de cadenafórmula moleculargeometría molecularfuerzas de van der Waalspunto de ebulliciónhidrocarburo saturadorecurso no renovablederrame de petróleoGLPrefrigerante R-600a

Fuentes y referencias

https://www.britannica.com/science/butane
https://www.chemguide.co.uk/basicorganic/propsbutane.html

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Figuras de la página (1)

Estructura molecular del butano: cadena lineal de cuatro átomos de carbono unidos en fila, con diez átomos de hidrógeno (tres en cada extremo y dos en los carbonos intermedios), es decir C4H10. — Figura 1 image

Preguntas que la gente también hace

¿Qué son los isómeros y por qué el butano e isobutano son isómeros?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Cómo influye la geometría molecular en las propiedades de los hidrocarburos?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la extracción petrolera en Ecuador?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

📌 Antes de leer esto

• Nomenclatura y fórmulas de los alcanos (CnH2n+2)
• Representaciones estructurales de compuestos orgánicos
• Noción de isomería
• Propiedades físicas de los hidrocarburos
• Concepto de ley de los gases (Boyle y Charles)
• Recurso natural renovable y no renovable

Siguiente tema sugerido

Alquenos, alquinos y reacciones de adición; combustión de hidrocarburos y contaminación atmosférica

📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 1164 caracteres

Observo las representaciones estructurales de los siguientes hidrocarburos y respondo las

preguntas: Butano Isobutano 8 >) ( HHH >) 3 | | | : HHHH | E Pol] E H-C-C-C-H El H-C-C-C-C-H > I | | : MN AA HHHH H-C-H | Ne y) Ne H y Ce ¿A qué se debe que los dos hidrocarburos tengan la misma fórmula molecular? ) A ] ( >)

e ¿La geometría molecular que presenta cada hidrocarburo condiciona las propiedades físicas y químicas de estas moléculas? ¿Por qué?

e ¿En qué actividad de la vida cotidiana se puede evidenciar la aplicación de esta Ley de los gases?

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e ¿Por qué es importante aprender sobre los hidrocarburos? ¿En qué condiciones de la co- ) tidianidad lo podria aplicar?

Considero que la actividad de extracción petrolera es la fuente mds importante de la economía del Ecuador, sin embargo, es necesario analizar la pertinencia de continuar con la extracción de este recurso natural no renovable, así como las implicaciones para el ambiente que conlleva los derrames de petróleo en los suelos y fuentes de agua.

Elaboro un esquema que represente las características del petróleo, las ventajas y desventajas de su extracción.

114 — Texto de Quimica

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