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Respuestas
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Capítulo 3
Ácidos y bases
Revisión de conceptos
Complete los espacios en blanco. Para comprobar si las respuestas son correctas,
véase la parte final del Capítulo 3 del libro. Las oraciones que están debajo se
encuentran en la sección llamada Revisión de conceptos y vocabulario.
Un ácido de Brønsted-Lowry es un ________de protones, mientras que una base
de Brønsted-Lowry es un ________de protones.
El mecanismo de transferencia de un protón siempre implica al menos _____
flechas curvas.
Un ácido fuerte tiene un pKa _______, mientras que un ácido débil tiene un pKa
______.
Hay cuatro factores para tener en cuenta al comparar la ___________ de las bases
conjugadas.
El equilibrio de una reacción ácido-base siempre favorece a la carga negativa más
____________.
Un ácido de Lewis es un ___________de electrones, mientras que una base de
Lewis es un ____________ de electrones.
Revisión de competencias
Complete los espacios en blanco. Para comprobar si las respuestas son correctas,
véase la parte final del Capítulo 3 del libro. Las respuestas se encuentran en la sección
llamada Revisión de competencias.
CAPÍTULO 3 41
CAPÍTULO 3 42
Competencia 3.9 Evaluación de la estabilidad relativa: los cuatro factores
Soluciones
CAPÍTULO 3 43
3.2.
a) Hay una sola flecha hacia una dirección incorrecta. La cola se dibujó sobre el átomo
de hidrógeno, lo cual es erróneo. Las flechas curvas no indican el movimiento de los
átomos, sino el de los electrones. La cola de esta flecha curva debería ubicarse sobre el
par solitario de electrones del átomo de nitrógeno, y la cabeza debería estar sobre el
protón. Además, debe dibujarse otra flecha curva. El diagrama debe quedar de la
siguiente manera:
Cl
+N N HH Cl
b) La primera flecha (desde el par solitario del nitrógeno hacia el protón) es correcta,
pero la segunda flecha curva no lo es. En forma específica, la cola se dibujó sobre el
protón, pero en realidad debería ubicarse sobre el enlace entre el protón y el átomo de
oxígeno. Este enlace debe dibujarse para colocar la segunda flecha curva en el sitio
apropiado:
HN
H HN
H
H
OH++
HO
H
c) Falta la segunda flecha curva:
HO O
O
Na HO OH
O++ NaO
O
HO
O
3.3.
CAPÍTULO 3 44
O
OH
O
O
OOH
3.4.
a)
OH
b) HO
H c) H C C H d) Cl H
e) H C C H f)
O S O
O
O
H H
3.6.
O
O
O
O
NHdHd
Ha
Hc
Hb Hd < Hb ~ Hc < Ha
3.7.
a) HN
H b) O c) HO
H d) O
e)
C C
H
H
H
H
H
f) OH
CAPÍTULO 3 45
3.9.
a) Un par solitario sobre un átomo de nitrógeno será más básico que un par solitario
sobre un átomo de oxígeno.
b) El par solitario sobre el átomo de nitrógeno es trece veces más básico que el par
solitario sobre el átomo de oxígeno.
3.10.
a) lado izquierdo
b) lado derecho
c) lado derecho
d) lado derecho
3.11. El equilibrio no favorece la desprotonación del acetileno por el hidróxido porque el
agua es más ácida que el acetileno. El equilibrio favorecerá al ácido más débil (acetileno).
Una base adecuada tiene un ácido conjugado menos ácido que el acetileno. Por ejemplo,
H2N‾ sería una base adecuada porque el amoníaco (NH3) es menos ácido que el acetileno.
3.12.
3.13.
a) OH
b)
H C N
H
H
H
H
c) HS
OH d)
N HO
H
3.14. Un protón conectado con un átomo de azufre será más ácido que uno conectado con un
átomo de oxígeno, que a su vez será más ácido que un protón conectado con un átomo de
nitrógeno. En consecuencia, el protón sobre el átomo de azufre será, sin lugar a dudas, más
ácido que el protón sobre el átomo de oxígeno.
CAPÍTULO 3 46
3.15.
a)
H
b)
N
HN
H c)
H
d)
O
H e)
O
O
O
H
f) OH
3.16.
O
OHO
OHO
HO
H
El protón resaltado arriba es el más ácido en la estructura porque la desprotonación en este
sitio genera un anión estabilizado por resonancia, en el cual la carga negativa se ubica
sobre dos átomos de oxígeno y un átomo de carbono:
O
OHO
OHO
HOO
OHO
OHO
HOO
OHO
OHO
HO
3.17.
3.18.
a) El protón resaltado es más ácido. Cuando se desprotona este sitio, la base conjugada
que se forma se estabiliza por la aceptación de electrones inducida por los átomos de
flúor electronegativos:
O
O
F3C
H
H
b) El protón resaltado es más ácido. Cuando se desprotona este sitio, la base conjugada
que se forma se estabiliza por la aceptación de electrones inducida por los átomos de
cloro electronegativos, que están más cerca de este protón que el otro protón:
CAPÍTULO 3 47
HOOH
O
O
Cl Cl
3.19.
a) El compuesto con dos átomos de cloro es más ácido debido a la aceptación de
electrones inducida por el átomo de cloro adicional, que ayuda a estabilizar la base
conjugada que se forma cuando se elimina el protón:
OH
Cl
O
Cl
b) El compuesto más ácido tiene el átomo de bromo más cerca del protón ácido. El
efecto de aceptación del átomo de bromo estabiliza a la base conjugada que se forma
cuando se elimina el protón:
OH
O
Br
3.20.
a) En el compuesto que se presenta debajo, uno de los átomos de cloro se acercó al
protón ácido, lo que estabilizó aún más la base conjugada que se forma cuando se
elimina el protón:
OH
O
ClCl
b) En el compuesto que se presenta debajo, uno de los átomos de cloro se alejó del
protón ácido, lo que desestabilizó la base conjugada que se forma cuando se elimina el
protón:
OH
O
Cl
Cl
c) El compuesto que se presenta debajo es menos ácido que los compuestos presentados
hasta ahora porque no es un ácido carboxílico. Esto implica que la base conjugada de
este compuesto NO se estabiliza por resonancia:
OHCl
Cl
O 3.21. Los dos protones están a la misma distancia del átomo de flúor y del átomo de cloro.
En consecuencia, es de esperar que estos protones tengan acidez equivalente.
3.22. El compuesto que se presenta debajo (acetileno) es más ácido. La base conjugada de
este compuesto posee una carga negativa asociada con un par solitario de electrones en un
orbital con hibridación sp, que es más estable que una carga negativa asociada con un par
solitario en un orbital con hibridación sp2.
C CH H 3.23.
CAPÍTULO 3 48
H
H
H
3.24. La mayoría de las iminas tendrá un pKa menor de 35 porque, en general, las iminas son
más ácidas que las aminas. Esta predicción procede de una comparación entre las bases
conjugadas de las aminas y las iminas. Las primeras portan una carga negativa en un
orbital con hibridación sp3, mientras que las segundas portan una carga negativa en un
orbital con hibridación sp2. Es de esperar que las iminas sean más estables y, por ende,
más ácidas.
3.25.
a)
OH
b)
OO
H c)
HONH2
O
N
d)
N
H e)
N NH
f)
HOSH
O
S
g)
N
HH h)
O
OHHO
i)
N
S
O
O
OH
O
H
3.26.
a) HBr b) H2S c) NH3 d) HH e)
Cl3C CCl3
OH
3.27.
a) Cuando se elimina el protón, la base conjugada resultante soporta una elevada
estabilización por resonancia porque la carga negativa se ubica sobre cuatro átomos de
nitrógeno y siete átomos de oxígeno. Asimismo, los efectos inductores de los grupos
trifluorometilo (-CF3) estabilizan en forma adicional la carga negativa.
b) El grupo OH puede reemplazarse con un grupo SH. El azufre es más grande que el
oxígeno y tiene más posibilidades de estabilizar una carga negativa:
SN N
S
CF3
S
N
OF3C
S
O
O
F3C
S
N
O CF3
S
O
O
CF3
H
En forma alternativa, la base conjugada podría estabilizarse en forma adicional si la
carga negativa se colocara sobre un mayor número de átomos de nitrógeno y oxígeno,
como se muestra a continuación:
CAPÍTULO 3 49
SN N
O
CF3
S
N
OF3C
S
O
N
F3C
S
N
O CF3
S
O
N
CF3
H
SS
CF3
O
OF3C
O
O
Las unidades estructurales adicionales (destacadas arriba) permitirían que la base
conjugada disperse su carga negativa sobre seis átomos de nitrógeno y nueve átomos de
oxígeno, lo que determinaría que el compuesto fuera todavía más estable que si las
cargas negativas se dispersaran sobre cuatro átomos de nitrógeno y siete átomos de
oxígeno.
3.29.
a) lado derecho
b) lado izquierdo
c) lado derecho
3.30.
O
O
H
O
O
OH
O
El equilibrio favorece el lado derecho porque la carga negativa está estabilizada por
resonancia.
3.31.
a) Sí, porque una carga negativa sobre un átomo de oxígeno será más estable que una
carga negativa sobre un átomo de nitrógeno.
CAPÍTULO 3 50
b) Sí, porque una carga negativa sobre un átomo de nitrógeno será más estable que una
carga negativa sobre un átomo de carbono con hibridación sp3.
c) No, porque una carga negativa sobre un átomo de carbono con hibridación sp2
será
menos estable que una carga negativa sobre un átomo de nitrógeno.
d) No, porque esta base está estabilizada por resonancia, con la carga negativa sobre
dos átomos de oxígeno y un átomo de carbono. La protonación de esta base con agua
promoverá la formación de un ion hidróxido, que es menos estable porque la carga
negativa está localizada sobre un átomo de oxígeno.
e) Sí, porque una carga negativa sobre un átomo de oxígeno será más estable que una
carga negativa sobre un átomo de carbono.
f) Sí, porque una carga negativa sobre un átomo de carbono con hibridación sp será
más estable que una carga negativa sobre un átomo de nitrógeno.
3.32.
a) Sí. Esta carga negativa es menos estable que el hidróxido.
b) No. Esta carga negativa está estabilizada por resonancia y es más estable que el
hidróxido.
c) No. Esta carga negativa está estabilizada por resonancia y es más estable que el
hidróxido.
3.33. El agua es más ácida que el etanol. De hecho, el pKa del agua (15,7) es menor que el pKa
del etanol (16).
3.34.
CAPÍTULO 3 51
3.35.
O N
3.36.
a) O
b)
O
c) HN
H d) HO
H
e) O
O
f)
N
g) h) HN
H
H
3.37.
a) b)
O
c) HN
H
H
d) HO
H
H
a)
OH
H b)
NH
H H
c)
OH
d) HO
H
3.38. El Compuesto A es 1 000 veces más ácido que el Compuesto B.
3.39. En cada una de las reacciones que se presentan debajo, identifique el ácido de Lewis y
la base de Lewis:
CAPÍTULO 3 52
3.40.
OH++
HO
HHN
H HN
H
H
3.41. No, porque el efecto nivelador causaría la desprotonación del etanol para formar iones
etóxido y, en estas condiciones, no se formaría el anión buscado.
3.42. No, el agua no sería un protón adecuado en este caso. Este anión es la base conjugada
de un ácido carboxílico. La carga negativa está estabilizada por resonancia y es más
estable que el hidróxido.
3.43.
a)
H BrH
OH H
OH
H
Br+ +
b) H
OH H
OH
H
+ +H O S O
O
O
H O S O
O
O
H
c) H
OH H
OH
H
+ +O
HO
d) H
OH H
OH
H
+ +H N H
H
H
HN
H
H
3.44.
a) H
OH OH+ +
CAPÍTULO 3 53
b) H
OH OH+ +O OH
c) H
OH OH+ +
d)
HO
H OH+ +N N
H
3.45.
a) El segundo anión es más estable porque está estabilizado por resonancia.
b) El segundo anión es más estable porque la carga negativa se encuentra sobre el
átomo de nitrógeno, en lugar de hallarse sobre el átomo de carbono con hibridación sp3.
c) El segundo anión es más estable porque la carga negativa se encuentra sobre un
átomo de carbono con hibridación sp en lugar de hallarse sobre un átomo de carbono
con hibridación sp3.
3.46.
a)
N
H b)
O
Cl
Cl Cl
3.47.
a)
SH
b)
OH
c)
OH
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
d)
e) O
O
H f)
O
g)
O
h) OH
O
3.48.
H A BNa+H B ANa+
pKa = 5 pKa = 15
El equilibrio favorecerá al ácido más débil (el ácido que tiene el valor de pKa más elevado).
En este caso, el equilibrio favorece la formación de HA.
3.49.
a) H
OH
O+ +
OH
HO
CAPÍTULO 3 54
b) S OHO S
H
c)
H2SS
SHS
S
S
H
d)
O NH
O NH
3.51.
a)
NH2H
b)
H2N OH
SH c)
H
d)
O
H e)
HO
O
OH
NH2 f)
H
O
H
g)
HO
OCl
Cl
OH
O
OHO h) HS OH
CAPÍTULO 3 55
3.55.
a) En el ciclopentadieno, hay un solo átomo de carbono con hibridación sp3.
b) En el diagrama inferior, se presenta el protón más ácido en el ciclopentadieno:
H
La base conjugada correspondiente soporta una elevada estabilización por resonancia.
Asimismo, la base conjugada se estabiliza en forma adicional por la intervención de
otro factor que se explicará en el Capítulo 18.
CAPÍTULO 3 56
c)
d) No hay átomos de carbono con hibridación sp
3 en la base conjugada.
e) Todos los átomos de carbono son híbridos sp2 y trigonales planos. En consecuencia,
el compuesto entero tiene geometría plana.
f) Hay cinco átomos de hidrógeno en la base conjugada.
g) Hay un solo par solitario de electrones en la base conjugada y está muy
deslocalizado.
3.56. Cuando el ácido salicílico se desprotona, la base conjugada resultante se estabiliza en
forma adicional por la formación de un enlace de hidrógeno intramolecular:
O
O
O
H
3.57.
a) OH
O
orOH
O
b) O
O
O O
or
(también hay otras posibilidades)
c) Oor
OH
O OH
(también hay otras posibilidades)
3.58. En el diagrama inferior, se muestran los cuatro isómeros constitucionales.
NO2
NO2
NO2NO2
Es de esperar que el último compuesto tenga el valor de pKa más elevado porque su base
conjugada no está estabilizada por resonancia. Los otros tres compuestos tienen bases
conjugadas estabilizadas por resonancia, como se muestra a continuación:
N
O
ON
O
O
3.59. Compare las bases conjugadas. Ambas están estabilizadas por resonancia, pero la base
conjugada del primer compuesto porta una carga negativa que se localiza sobre dos átomos
de nitrógeno y dos átomos de carbono, mientras que la base conjugada del segundo
compuesto porta una carga negativa que se ubica sobre un átomo de nitrógeno y tres
átomos de carbono. Dado que el nitrógeno es más electronegativo que el carbono, el
nitrógeno es más capaz de estabilizar a una carga negativa. En consecuencia, la base
conjugada del primer compuesto es más estable que la base conjugada del segundo y,
como resultado, el primer compuesto es más ácido.
CAPÍTULO 3 57
b) Es de esperar que Ha sea un poco más ácido que Hb dado que la eliminación de Ha
produce una base conjugada que tiene una estructura de resonancia adicional respecto
de la base conjugada que se forma cuando se elimina Hb. El primer compuesto porta
una carga negativa sobre cuatro átomos de nitrógeno y cinco átomos de carbono,
mientras que el segundo compuesto porta la carga negativa sobre cuatro átomos de
nitrógeno y cuatro átomos de carbono.
3.61.
a) Cuando R es un grupo ciano, la base conjugada se estabiliza por resonancia:
C N
H
N C N
H
N
b) Hay muchas respuestas posibles. Aquí se presenta un ejemplo en el cual la base
conjugada porta la carga negativa sobre tres átomos de nitrógeno y no sólo sobre dos
átomos de nitrógeno:
C N
H
H
N
H
CN
