¿Qué es la hidratación catalizada por ácido?

Revisión de reacciones químicas y catalizadores

Antes de comenzar a explorar la hidratación catalizada por ácido, repasemos algunos de los términos clave que pueden ayudar a poner este tema en contexto, comenzando con una reacción química. Una reacción química es el proceso de transformación de sustancias químicas en sustancias nuevas. Estos procesos a veces involucran un ácido , que es una sustancia que puede donar protones o aceptar pares de electrones en reacciones. Dependiendo del valor de pH de un ácido, se puede clasificar como fuertemente ácido (rango de pH de 1-3), como los que nos enfocaremos en esta lección, o débilmente ácido (rango de pH de 4-6).

Un catalizador es una molécula que acelera la velocidad de una reacción química, sin consumirse en el proceso. Los ácidos, que funcionan como catalizadores, son necesarios para que tenga lugar una reacción de hidratación catalizada por ácidos. Finalmente, la hidratación se refiere al proceso de agregar agua. Durante una hidratación catalizada por ácido, se utiliza agua para facilitar la transformación de un compuesto insaturado en uno saturado.

¿Qué es una reacción de hidratación catalizada por ácido?

Una reacción de hidratación catalizada por ácido es una reacción en la que un compuesto insaturado se reduce a un compuesto saturado en presencia de un catalizador ácido. Los compuestos saturados son aquellos que contienen enlaces simples en sus estructuras (Figura 1a). Los compuestos insaturados son exactamente lo contrario: son compuestos que contienen múltiples enlaces en sus estructuras (Figura 1b). Los compuestos insaturados, usados ​​como reactivos para esta reacción, incluyen alquenos y alquinos.

Compuestos saturados e insaturados: (a) pentano y (b) penteno

¿Por qué un grupo funcional alqueno y alquino sería el reactivo de elección para esta reacción? Bueno, porque ambos son compuestos insaturados que contienen dobles y triples enlaces en su estructura. Específicamente, un alqueno es un grupo funcional que contiene compuestos orgánicos con dobles enlaces. Un alquino es un grupo funcional que contiene compuestos orgánicos con triples enlaces.

Reacción catalizada por ácido: paso a paso

El siguiente ejemplo implica la hidratación catalizada por ácido de la molécula de alqueno, eteno . Tenga en cuenta que hay tres pasos involucrados en esta reacción, así como también tres ingredientes clave: (1) catalizador ácido, (2) agua y (3) un compuesto insaturado. Como ocurre con todas las reacciones químicas, las flechas le indican en qué dirección se mueven los electrones. Esté atento a estas flechas y utilícelas como guía mientras sigue los pasos de esta reacción.

Paso 1: El ácido sulfúrico del catalizador ácido reacciona con el agua para formar un ion hidronio (H30). Un ion hidronio es un ácido muy fuerte que puede existir en una solución acuosa.

Paso 1 de una hidratación catalizada por ácido

Paso 2: el doble enlace de la molécula de eteno se protona utilizando el ion hidronio. La protonación se refiere a una reacción en la que se agrega un protón (H) a una molécula o ión. El átomo de hidrógeno del ion hidronio tiene una atracción muy fuerte por el doble enlace del eteno (a). Esto hace que el enlace se rompa y permite que los electrones formen un nuevo enlace con el átomo de hidrógeno (b). Recuerde que cada enlace consta de dos electrones. Este nuevo enlace forma un intermedio llamado carbocatión , o una molécula cuyo átomo de carbono está cargado positivamente.

Paso 2 de una hidratación catalizada por ácido

Paso 3: el carbocatión reacciona con el agua para formar un ión oxonio. El átomo de oxígeno en la molécula de agua tiene dos pares de electrones solitarios representados por los puntos que ves alrededor del átomo de oxígeno. Cuando el carbocatión reacciona con uno de estos pares solitarios, se forma un enlace (c). Como resultado, el intermedio formado se llama ión oxonio (d), o una molécula que tiene un átomo de oxígeno cargado positivamente en su estructura.

Paso 3 de la hidratación catalizada por ácido

Paso 4: Se desprotona el ión oxonio y se regenera el catalizador ácido. Se agrega otra molécula de agua para eliminar uno de los átomos de hidrógeno del oxígeno en el ion oxonio (e). El resultado es un producto final estable llamado etanol o alcohol etílico, y la reaparición de nuestro catalizador ácido, el ion hidronio. Recuerde, los catalizadores nunca se consumen ni se agotan en una reacción.

Paso 4 de hidratación catalizada por ácido

Resumen de la lección

Las hidrataciones catalizadas por ácido son reacciones químicas en las que los compuestos insaturados se reducen a compuestos saturados en presencia de un catalizador ácido. Los componentes necesarios para esta reacción incluyen un catalizador ácido, una molécula de agua y un compuesto insaturado. Un ácido es una sustancia química que acepta pares de electrones o dona protones durante una reacción química, mientras que una molécula, conocida como catalizador , ayuda a acelerar esa reacción.

Los alquenos y alquinos son compuestos insaturados comunes que se utilizan como materiales de partida. Los ácidos fuertes, como el ácido sulfúrico, se utilizan como catalizadores en hidrataciones catalizadas por ácido. El resultado final de una hidratación catalizada por ácido que involucra a la molécula de alqueno, eteno , es etanol ; también reaparece el ion hidronio, o el catalizador ácido.