Química 11.º

Aldehídos y cetonas

50 min · DBA 4

Lo que vas a aprender
  • Reconocer el grupo carbonilo y decidir si un compuesto es aldehído o cetona por la posición del carbonilo.
  • Nombrar aldehídos y cetonas sencillos con la nomenclatura IUPAC.
  • Describir qué se observa con los reactivos de Tollens y de Fehling cuando la muestra es un aldehído y cuando es una cetona.
  • Comprobar fórmulas moleculares, masas molares y ecuaciones de las pruebas con cálculos.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

El olor de la vainilla y el de la canela se deben a aldehídos. La acetona del quitaesmalte es una cetona, la propanona. Las dos familias comparten el mismo grupo de átomos, un carbono con un doble enlace a un oxígeno, y se diferencian solo en dónde está ese grupo dentro de la molécula.

Esa diferencia de posición cambia cómo reaccionan, y eso permite distinguirlos en el laboratorio con un tubo de ensayo y un reactivo. Es el tipo de práctica que pide el DBA de este año: clasificar compuestos orgánicos con pruebas químicas y explicar por qué una prueba sale positiva o negativa.

Antes de empezar necesitas nombrar alcoholes y reconocer si son primarios o secundarios, y calcular masas molares.

Explicación

El grupo carbonilo

El grupo carbonilo es un carbono unido a un oxígeno por un doble enlace, C=O. Al carbono le quedan dos enlaces libres, y lo que se une a ellos decide la familia:

  • Si al menos uno de esos enlaces va a un hidrógeno, el compuesto es un aldehído. El grupo se escribe –CHO y siempre está en un extremo de la cadena: R–CHO.
  • Si los dos enlaces van a carbonos, el compuesto es una cetona. El carbonilo queda dentro de la cadena: R–CO–R′.

Una consecuencia directa: la cetona más pequeña tiene tres carbonos, porque el carbono del carbonilo necesita un carbono a cada lado. En cambio, hay aldehídos de uno y de dos carbonos.

Cómo se nombran

Aldehídos. Se busca la cadena más larga que contenga el carbono del –CHO, se cambia la o final del alcano por -al, y el carbono del –CHO es siempre el número 1. Por eso el nombre no lleva localizador para el grupo:

  • H–CHO es metanal, CH₃–CHO es etanal y CH₃–CH₂–CHO es propanal.
  • (CH₃)₂CH–CH₂–CHO es 3-metilbutanal: cuatro carbonos en la cadena, contados desde el –CHO, y un metilo en el carbono 3.

Cetonas. Se cambia la o final por -ona y se numera la cadena para que el carbono del carbonilo tenga el número más bajo. CH₃–CO–CH₂–CH₂–CH₃ es pentan-2-ona y CH₃–CH₂–CO–CH₂–CH₃ es pentan-3-ona. En la propanona, CH₃–CO–CH₃, y en la butanona, CH₃–CO–CH₂–CH₃, el carbonilo solo puede ir en un sitio, y el localizador suele omitirse; los nombres completos son propan-2-ona y butan-2-ona.

Una fórmula general compartida

Un aldehído o una cetona de cadena abierta y sin dobles enlaces C=C se obtiene de un alcano CₙH₂ₙ₊₂ cambiando dos hidrógenos de un mismo carbono por un oxígeno con doble enlace. La fórmula general es CₙH₂ₙO, la misma para las dos familias. Por eso el propanal y la propanona son isómeros: los dos son C₃H₆O. La fórmula molecular no basta para saber cuál de los dos hay en un frasco.

El carbonilo es polar, pero estas moléculas no tienen un H unido al oxígeno: no forman puentes de hidrógeno entre ellas. Por eso hierven a menor temperatura que los alcoholes de masa parecida, aunque a mayor temperatura que los alcanos. Los más pequeños se disuelven en agua, porque el oxígeno del carbonilo sí acepta puentes de hidrógeno del agua.

De dónde salen

Una forma de obtenerlos es oxidar un alcohol. Un alcohol primario se oxida a aldehído, que con más oxidante sigue hasta ácido carboxílico; uno secundario se oxida a cetona, y uno terciario no se oxida con oxidantes suaves. Así, el propan-2-ol, CH₃–CH(OH)–CH₃, pierde dos hidrógenos y se convierte en la propanona. Lo verás con detalle en la unidad 7.

Por qué un aldehído se oxida y una cetona no

La diferencia química más útil está en ese hidrógeno del –CHO. Un aldehído se oxida con facilidad: el –CHO se convierte en –COOH, el grupo de los ácidos carboxílicos. Una cetona no tiene ese hidrógeno; para oxidarla habría que romper un enlace entre carbonos, y los oxidantes suaves no lo logran. Las pruebas de Tollens y de Fehling usan un oxidante suave que cambia de aspecto cuando oxida algo:

  • Tollens. Es una solución incolora de plata en amoníaco. Un aldehído reduce los iones de plata a plata metálica, que se pega al vidrio limpio como un espejo de plata (o aparece como un sólido gris oscuro). Con una cetona no pasa nada: la prueba es negativa.
  • Fehling. Se mezclan dos soluciones, una de sulfato de cobre(II) y otra básica con tartrato; la mezcla es de un azul intenso. Al calentar en baño de agua con un aldehído, el cobre(II) se reduce a óxido de cobre(I), Cu₂O, un precipitado rojo ladrillo. Con una cetona la mezcla sigue azul.

Hay un matiz: los aldehídos aromáticos, como el benzaldehído, dan positivo con Tollens pero suelen dar negativo con Fehling. Por eso conviene hacer las dos pruebas.

Las dos reacciones, escritas con el etanal y en medio básico, son estas. En las dos el aldehído termina como ion etanoato, CH₃COO⁻:

CH₃CHO + 2Ag(NH₃)₂⁺ + 3OH⁻ → CH₃COO⁻ + 2Ag + 4NH₃ + 2H₂O

CH₃CHO + 2Cu²⁺ + 5OH⁻ → CH₃COO⁻ + Cu₂O + 3H₂O

Seguridad. Estas pruebas solo se hacen en el laboratorio, con el docente, gafas y guantes. El reactivo de Tollens se prepara en el momento y se desecha enseguida, porque al guardarlo puede formar compuestos de plata explosivos; el reactivo de Fehling tiene hidróxido de sodio, que es corrosivo.

Ejemplo resuelto

Una cetona y su isómero aldehído

Nombra la cetona CH₃–CH₂–CO–CH₂–CH₃, comprueba que es isómera del pentanal, CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CHO, y calcula la masa molar de los dos.

Ver la solución paso a paso
  1. La cadena tiene cinco carbonos y el carbonilo está en el centro. Desde cualquier extremo queda en el carbono 3: es la pentan-3-ona.

    $$\text{átomos de C en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}COCH_{2}CH_{3}} = 5$$

  2. Las dos moléculas tienen los mismos carbonos:

    $$\text{átomos de C en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}COCH_{2}CH_{3}} = \text{átomos de C en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHO}$$

  3. Los mismos hidrógenos, diez cada una, como pide CₙH₂ₙO con n = 5:

    $$\text{átomos de H en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}COCH_{2}CH_{3}} = \text{átomos de H en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHO}$$

  4. Y un oxígeno cada una:

    $$\text{átomos de O en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}COCH_{2}CH_{3}} = \text{átomos de O en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHO}$$

  5. Las dos son C₅H₁₀O: son isómeros, y por eso tienen la misma masa molar. Con C = 12, H = 1 y O = 16:

    $$M_m\left(\mathrm{C_{5}H_{10}O}\right)$$

  6. Son $86$ g/mol.

Respuesta: Es la pentan-3-ona; es isómera del pentanal (los dos son C₅H₁₀O) y los dos tienen masa molar 86 g/mol.

Ejemplo resuelto

¿Propanal o propanona?

Dos frascos sin etiqueta tienen propanal y propanona. ¿Sirve la fórmula molecular para distinguirlos? ¿Qué se espera de cada uno con los reactivos de Tollens y de Fehling?

Ver la solución paso a paso
  1. El propanal es CH₃–CH₂–CHO y la propanona, CH₃–CO–CH₃. Comparamos sus fórmulas: los mismos carbonos,

    $$\text{átomos de C en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}CHO} = \text{átomos de C en }\mathrm{CH_{3}COCH_{3}}$$

  2. los mismos hidrógenos

    $$\text{átomos de H en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}CHO} = \text{átomos de H en }\mathrm{CH_{3}COCH_{3}}$$

  3. y los mismos oxígenos:

    $$\text{átomos de O en }\mathrm{CH_{3}CH_{2}CHO} = \text{átomos de O en }\mathrm{CH_{3}COCH_{3}}$$

  4. Los dos son C₃H₆O, así que pesan lo mismo por mol y la fórmula no los distingue. Hace falta una prueba química.

  5. El propanal tiene el hidrógeno del –CHO y se oxida: con Tollens se espera el espejo de plata, y con Fehling, al calentar, el precipitado rojo ladrillo.

  6. La propanona no tiene ese hidrógeno: con Tollens no se forma plata, y con Fehling la mezcla sigue azul.

Respuesta: No: los dos son C₃H₆O. El frasco que da espejo de plata con Tollens y precipitado rojo con Fehling es el propanal; el que no cambia es la propanona.

Ejemplo resuelto

La ecuación de Fehling

Comprueba que la ecuación de Fehling con etanal, CH₃CHO + 2Cu²⁺ + 5OH⁻ → CH₃COO⁻ + Cu₂O + 3H₂O, está balanceada, y calcula cuántos gramos de Cu₂O precipitan con 4,4 g de etanal.

Ver la solución paso a paso
  1. Contamos a cada lado: dos carbonos, nueve hidrógenos, seis oxígenos, dos cobres y la misma carga total:

    $$\mathrm{CH_{3}CHO + 2Cu²⁺ + 5OH⁻ \rightarrow CH_{3}COO⁻ + Cu_{2}O + 3H_{2}O}$$

  2. La carga, en detalle: a la izquierda, dos iones 2+ y cinco iones 1−; a la derecha, un solo ion 1−:

    $$2 \cdot 2 + 5 \cdot \left(-1\right) = 1 \cdot \left(-1\right)$$

  3. La masa molar del etanal, CH₃CHO, es 2 · 12 + 4 · 1 + 16:

    $$M_m\left(\mathrm{CH_{3}CHO}\right) = 44$$

  4. Los 4,4 g son:

    $$\frac{4{,}4}{44}$$

  5. Hay $0{,}1$ mol de etanal, y por cada mol de etanal se forma 1 mol de Cu₂O.

  6. La masa molar del Cu₂O es 2 · 63,5 + 16:

    $$M_m\left(\mathrm{Cu_{2}O}\right) = 143$$

  7. Multiplicamos los moles por la masa molar:

    $$0{,}1 \cdot 143$$

  8. Precipitan $14{,}3$ g de Cu₂O.

Respuesta: La ecuación está balanceada en átomos y en cargas; precipitan 14,3 g de Cu₂O.

Práctica

¿Cuál es la masa molar de la propanona, CH₃–CO–CH₃, en g/mol?

¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene el butanal, CH₃–CH₂–CH₂–CHO?

Un aldehído de cadena abierta y sin dobles enlaces C=C tiene 5 átomos de carbono. ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene?

¿Cuál es la masa molar del metanal, H–CHO, en g/mol?

¿Verdadero o falso? El propanal, CH₃–CH₂–CHO, y la propanona, CH₃–CO–CH₃, tienen la misma fórmula molecular.

¿Verdadero o falso? La propanona, CH₃–CO–CH₃, y el propan-2-ol, CH₃–CH(OH)–CH₃, tienen la misma fórmula molecular.

En el laboratorio se calienta propanona con reactivo de Fehling en baño de agua. ¿Qué se espera observar?

¿Cuál es el nombre IUPAC de (CH₃)₂CH–CH₂–CHO?

En la prueba de Fehling, $\mathrm{CH_{3}CHO + 2Cu²⁺ + 5OH⁻ \rightarrow CH_{3}COO⁻ + Cu_{2}O + 3H_{2}O}$. ¿Cuántos gramos de Cu₂O precipitan con 8,8 g de etanal? Escribe el número con coma decimal.

En la prueba de Tollens, $\mathrm{CH_{3}CHO + 2Ag(NH_{3})_{2}⁺ + 3OH⁻ \rightarrow CH_{3}COO⁻ + 2Ag + 4NH_{3} + 2H_{2}O}$. ¿Cuántos gramos de plata se depositan con 2,2 g de etanal?

¿Cuál es la masa molar de la butanona, CH₃–CO–CH₂–CH₃, en g/mol?

Reto

¿Aldehído o cetona?

Mira el carbono del C=O: si tiene un hidrógeno, es aldehído (–CHO); si tiene un carbono a cada lado, es cetona.

Reto

Abre el candado del carbonilo.

Cada respuesta es una cifra del código. Cuenta átomos en la fórmula semidesarrollada.

Reto

El crucigrama del carbonilo.

Lee cada pista y escribe la palabra, sin tildes.

Cierre

En resumen

  • Aldehídos y cetonas tienen el grupo carbonilo, C=O; en el aldehído está en un extremo (–CHO) y en la cetona, entre dos carbonos.

  • Los aldehídos terminan en -al y su –CHO es siempre el carbono 1; las cetonas terminan en -ona, con el localizador más bajo para el carbonilo.

  • Los aldehídos y las cetonas de cadena abierta y saturada siguen CₙH₂ₙO, así que un aldehído y una cetona con los mismos carbonos son isómeros.

  • Un aldehído se oxida con facilidad y da positivo con Tollens (espejo de plata) y, si es alifático, con Fehling (precipitado rojo ladrillo); una cetona da negativo en las dos.

Vocabulario

Grupo carbonilo

Un carbono unido a un oxígeno por un doble enlace, C=O.

Aldehído

Compuesto en el que el carbono del carbonilo está unido al menos a un hidrógeno; el grupo se escribe –CHO y va en un extremo de la cadena.

Cetona

Compuesto en el que el carbono del carbonilo está unido a dos carbonos; el carbonilo queda dentro de la cadena.

Reactivo de Tollens

Solución de plata en amoníaco que un aldehído reduce a plata metálica, la cual forma un espejo en el vidrio.

Reactivo de Fehling

Mezcla azul de una sal de cobre(II) en medio básico que un aldehído alifático reduce a Cu₂O, un precipitado rojo ladrillo.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Escribir y nombrar todos los aldehídos y cetonas de fórmula C₄H₈O y C₅H₁₀O, y hacer una tabla con el resultado esperado de cada uno con Tollens y con Fehling. Nota para usted: algunas cetonas con un –OH junto al carbonilo, como la fructosa, dan positivo con Fehling porque en medio básico se transforman; no son casos de esta lección.