Carbono en los alimentos (Portal CCH)

Carbono en los alimentos

Propiedades del Carbono:

En la tabla periódica están presentes todos los elementos existentes hasta el momento en el mundo de lo cual incluye a el carbono que es el primer elemento de la familia IV A de los elementos representativos y es un no metal. Este elemento se puede unir químicamente con otros elementos para formar compuestos inorgánicos, como carburos (CaC2), óxidos (CO2) y sales (Na2CO3); pero también forma una inmensa variedad de compuestos orgánicos también llamados compuestos del carbono, los cuales forman parte de las estructuras de los organismos vegetales y animales, los que a su vez son la fuente principal de la alimentación humana.

El carbono puede formar algunas derivaciones de este mismo como es el caso del carbón y el diamante, esto en cierta forma se podría considerar que no están hechos del mismo elemento pero la verdad si están hechos del mismo elemento;El grafito tiene exactamente el mismo tipo de átomos que el diamante, pero por estar unidos y dispuestos en diferente forma, su textura, fuerza y color son diferentes; sin embargo, la descomposición del diamante es extremadamente lenta que sólo es apreciable a escala geológica. A las diferentes estructuras de sustancias con el mismo tipo de átomos se les conoce como formas alotrópicas, en este caso el diamante y el grafito son dos de los alótropos naturales más abundantes del carbono.

Hay varios formas de representar como están estructurados los átomos de cualquier elemento, pero en este caso es el del carbono. El Modelo de Bohr y el Modelo de puntos de Lewis que se muestran a continuación (Hay que recordar que el carbono al estar en el grupo IVA sus ultimas capas tendrán de numero 4 electrones, debido a su posicionamiento en el grupo que esta) :

Uno de los compuestos que puede formar el carbono es el metano, este compuesto es el mas sencillo que este pude generar y su representación puede ser de varias formas (La primera imagen es una representación de un formula "desarrollada"):

Las uniones químicas o enlaces químicos que se dan entre los átomos son de naturaleza eléctrica; los responsables de tales uniones son los electrones de valencia (electrones externos). Los enlaces se clasifican de acuerdo a la diferencia de electronegatividad entre los átomos que forman el enlace.

Hay que recordar que los enlaces que forma en este caso el carbono son enlaces covalentes; un enlace covalente: se refiere a la unión de dos átomos mediante la compartición de un par de electrones, esta compartición puede ser equitativa lo que origina el enlace covalente puro o bien un enlace no polar; generalmente se da entre dos átomos del mismo elemento o entre átomos de electronegatividades muy cercanas; la entidad que se forma cuando se dan estos enlaces se llama molécula; un ejemplo es la formación de la molécula diatómica de hidrógeno, H2. Un ejemplo de enlace covalente no polar es cuando los átomos de C y H se combinan para formar moléculas de los compuestos orgánicos, la electronegatividad de estos elementos es 2.5 y 2.1 respectivamente lo cual da una E=0.4 , por lo que es covalente no polar.

Hay que tener en cuenta que la electronegatividad es la capacidad que tienen los átomos para atraer electrones de enlace. Existe una escala muy utilizada creada por Linus Pauling en donde los valores de electronegatividad para los diferentes elementos oscilan entre 0.7 y 4.0 y sirven para estimar el tipo de enlace que se podría formar entre dos átomos que se combinan, determinando la diferencia de estos valores.

Los hidrocarburos tienen enlaces covalentes carbono-carbono y carbono-hidrógeno, y debido a que sus electronegatividades son muy cercanas, C= 2.5 e H=2.1, sus enlaces son no polares. Por otro lado, cuando los electrones de enlace son más atraídos por uno de los átomos (el más electronegativo), como en el caso del enlace O-H donde el átomo de oxígeno es el más electronegativo ocasiona la formación del enlace covalente polar.

Ejercicios (Propiedades del carbono):

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Hidrocarburos:

Los derivaciones que generalmente tiende a hacer el carbono son los hidrocarburos que son átomos de carbono que se enlazan químicamente entre sí formando largas cadenas lineales o ramificadas, que van desde unos cuantos átomos hasta miles de ellos o  bien anillos de todos los tamaños; debido a esta característica se considera al carbono, único en la naturaleza, lo que le permite formar una inimaginable cantidad de compuestos; a esta propiedad del carbono se conoce comoconcatenación. Los átomos de carbono al combinarse químicamente ya sea entre sí o con átomos de otros elementos siempre van a formar cuatro enlaces,generalmente covalentes. Los enlaces carbono-carbono pueden ser simples, dobles o triples.

En las fórmulas desarrolladas de los compuestos orgánicos los átomos de C invariablemente tendrán cuatro enlaces representados mediante líneas; por otro lado, el átomo de hidrógeno al combinarse químicamente sólo puede formar un enlace que se representa con una sola línea.

Existen clasificaciones de la cual los hidrocarburos pueden estar en listados en uno de ellos debido a su estructuración:

Alifáticos:Son HC de cadenas abiertas o cerradas y se clasifican en saturados e insaturados dependiendo de la cantidad  de átomos de hidrógeno y está determinado por las uniones carbono-carbono, simples, dobles y triples llamados alcanos, alquenos y alquinos respectivamente. Las siguientes fórmulas desarrolladas y semidesarrolladas son ejemplos de HC alifáticos. Ejemplo:

Aromáticos: Son HC cíclicos que contienen la estructura básica del benceno, C6H6. Ejemplo:

Hidrocarburos Saturados:Compuestos que tienen el máximo de átomos de hidrógeno en su estructura molecular, es decir están saturados de hidrógeno, estos compuestos solamente presentan enlaces sencillos:  C-C  o  C-H, los HC saturados también son llamados Alcanos o parafinas. Ejemplo:

Formula dearrollada y semidesarollada (Etano - C2H6)

Hidrocarburos insaturados:Compuestos que tienen al menos un enlace doble o triple entre los átomos de carbono que los forman; debido a que los átomos de carbono al unirse entre sí con enlaces múltiples agotan las posibilidades de enlazarse con el hidrógeno. La cantidad de átomos de hidrógeno que tienen los HC insaturados es siempre menor a la de los saturados de igual número de átomos de C. De esta forma, los HC saturados se subdividen en Alquenos y Alquinos. Ejemplo:

Formula desarrollda y semidesarollada (Etano- C2H4)

Alcanos: HC que sólo presentan enlaces covalentes simples, pueden ser cadenas abiertas o cerradas, ramificadas o lineales. Los alcanos son HC saturados, cuya fórmula general es: CnH2n+2, para cadenas abiertas, ya sea lineales o ramificadas. Si la estructura es cíclica la fórmula general es: CnH2n. Ejemplo:

Alquenos: Son HC que en su composición tienen menos átomos de hidrógeno que el alcano del mismo número de carbonos, y en su estructura se encuentra por lo menos un enlace doble, también son llamados olefinas. Los alquenos son HC insaturados con dobles enlaces C=C y su fórmula general es: CnH2n, para cadenas abiertas, ya sea lineales o ramificadas. Ejemplo:

Alquinos:  Su estructura se encuentra por lo menos un enlace triple, también son llamados acetilénicos. Los alquinos son HC insaturados y su fórmula general es CnH2n-2 para cadenas abiertas, ya sea lineales o ramificadas. Ejemplo:

Hidrocarburos lineales: Está 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 fórmulas semidesarrolladas. Ejemplo:

Hidrocarburos ramificados:  la cadena de mayor número de átomos de carbono es considerada como la cadena principal y las cadenas adicionales se consideran ramificaciones. En un hidrocarburo cíclico toda cadena adicional a éste se considera una ramificación. Ejemplo:

Ejercicios (Hidrocarburos):

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Formulas y Nomenclatura HC:

Las formas tradicionales para representar las estructuras de los HC, de lo cual cada una tiene sus propias reglas de construcción. Las más conocidas son: la desarrollada, la semidesarrollada, de esqueleto, de esferas y palos, y condensada (Pero son mas conocidas la desarrollada, semidesarrollada y condensada). La estructura desarrollada de los HC muestra todos los enlaces que se establecen entre los átomos. La semidesarrollada simplifica la representación agrupando los átomos de hidrógeno de cada átomo de carbono. Estructuraciones: 

Desarrollada: Se muestran todos los átomos de carbono e hidrógeno, así como sus enlaces, en una estructura plana. Ejemplo:

Butano

Semidesarrollada: Los hidrógenos se unen al átomo de carbono con el que se encuentran enlazados, esto se hace con cada átomo de carbono para dar estructuras cortas.

Buteno

Esqueleto: Consiste en trazar líneas en zig-zag, donde los vértices y los extremos representan átomos de carbono unidos mediante líneas sencillas, dobles o triples, y  los hidrógenos no se representan.Ejemplo:

Esferas y Palos: Los átomos son esferas compactas que se unen mostrando el acomodamiento espacial más probable de los átomos de carbono e hidrógeno. Ejemplo:

Condesada: Se agrupan todos los átomos de carbono e hidrógeno, es útil para ver la composición pero no la estructura. Ejemplo: C4H10

El número de átomos de carbono que contienen las moléculas de los HC está relacionado con su nombre, de acuerdo a la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) se deben utilizar las raíces griegas para indicar el número de átomos que forman una cadena o una ramificación. En las siguientes imágenes se presentan de una forma resumida lo que serian las nomenclaturas:

Esta tabla que se presenta da mención a las terminaciones de los nombres de los hidrocarburos de acuerdo a su raíz:

Ejercicios (Formulas y Nomenclatura HC):

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Compuestos de Carbono:

El carbono también puede formar varios compuestos enlazándose con otros elementos además del hidrógeno. Esta particularidad del carbono se puede encontrar formando compuestos con diferentes elementos a la vez; un ejemplo de esto se presenta en la Vitamina B1 (La vitamina B1 tiene acción benéfica sobre el sistema nervioso y la actitud mental. Favorece el crecimiento y ayuda a la digestión de carbohidratos y lípidos, entre otras funciones. La estructura química de la vitamina B1 es la responsable de tales propiedades):

Ejercicios (Compuestos Carbonos):

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Isomeria:

Como ya antes se había mencionado el carbono al unirse a otros átomos de carbono produce una gran variedad de compuestos. A partir de 4 átomos de carbono podemos encontrar dos o más compuestos con la misma cantidad de átomos (tienen la misma fórmula molecular o condensada, sin embargo, la distribución atómica de éstos es diferente, sus estructuras no son iguales).  Por ejemplo: El butano C4H10 se puede representar en dos estructuras:

Los compuestos anteriores reciben el nombre de isómeros, debido a que tienen la misma composición atómica pero diferente fórmula estructural, por esto es necesario conocer la fórmula desarrollada o semi desarrollada, para saber qué tipo de compuesto es y poderlo diferenciar del otro, además la estructura podrá ayudar a explicar mejor las propiedades de cada isómero. Entre mayor sea el número de átomos en un compuesto, mayores son las posibilidades de formar diferentes isómeros de lo cual estas pueden estar clasificada de diferentes formas. 

Ejercicios (Isomeria):

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Relación entre estructura de las moléculas y las propiedades de los compuestos:

Las formas alotrópicas del carbono (grafito, diamante, carbono amorfo, fullereno, nanotubos) presentan diferentes propiedades, los isómeros también presentan diferentes propiedades debido a su estructura. Los isómeros del C5H12 presentan la misma composición, pero diferente estructura y que la estructura de los isómeros determina las propiedades físicas y químicas. Lo antes dicho se puede definir un poco mejor con esta tabla:

Actividad Final:

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Bibliografia:

Colegio de Ciencias y Humanidades . Portal Académico Colegio de Ciencias y Humanidades [En línea] Disponible en: http://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica2/u2/carbono_alimentos (Consultado el 1 de Mayo del 2015)