Reacciones de oxidación

¿Alguna vez has dejado accidentalmente una botella de vino abierta en un armario, polvorienta y olvidada? Cuando vuelvas a ella, lo más probable es que el vino esté agrio y ácido. Esto es porque el alcohol del vino ha reaccionado con el oxígeno del aire y se ha convertido en un tipo de molécula completamente diferente. Este es un ejemplo de la oxidación de los alcoholes.

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Índice de temas
    • Este artículo trata sobre la oxidación de los alcoholes.
    • Empezaremos con una definición de las reacciones de oxidación y los principios de la oxidación de los alcoholes.
    • Luego, exploraremos la oxidación de los alcoholes primarios y veremos cómo se compara con la oxidación de los alcoholes secundarios.
    • Para ello, conoceremos los reactantes, los productos y las condiciones necesarias de las reacciones.
    • También, estudiaremos la oxidación de los alcoholes terciarios y exploraremos brevemente el mecanismo de oxidación de los alcoholes.
    • Por último, veremos cómo podemos utilizar la oxidación de los alcoholes para buscar aldehídos y cetonas.

    Proceso de oxidación

    Puede que ya sepas, por las reacciones Redox, que la oxidación tiene varias definiciones diferentes como:

    • La adición de oxígeno.
    • La eliminación de hidrógeno.
    • La pérdida de electrones, que provoca un aumento del estado de oxidación.

    ¿Cómo se aplican estas definiciones a las reacciones de oxidación del alcohol? Todas ellas empiezan a tener sentido cuando nos fijamos en el carbono alfa (α) del alcohol. Este es el átomo de carbono que está unido al grupo hidroxilo, -OH.

    Cuando los alcoholes se oxidan, el carbono alfa (α) experimenta los siguientes cambios:

    Echa un vistazo a la profundización del final del artículo, para conocer el estado de oxidación del carbono alfa en diferentes alcoholes, y cómo cambia en las reacciones de oxidación.

    Reacción de oxidación de alcoholes

    Antes de empezar con este apartado, veamos la definición de reacción de oxidación:

    Las reacciones de oxidación son reacciones químicas en las que el compuesto cede o dona electrones a otro.

    Los alcoholes se oxidan calentándolos con un agente oxidante. Normalmente, este agente oxidante es el dicromato potásico (VI) (Na2Cr2O7). Para acelerar la reacción, acidificamos el dicromato potásico utilizando un catalizador de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4).

    Sin embargo, no todas las reacciones de oxidación del alcohol son iguales. Las condiciones exactas y los productos difieren según la clasificación del alcohol. Echemos un vistazo:

    • Los alcoholes primarios (-RCH2OH) se oxidan parcialmente a aldehídos (-RCHO), mediante destilación. Después pueden oxidarse totalmente a ácidos carboxílicos (-RCOOH), mediante reflujo.
    • Los alcoholes secundarios (-RCH(OH)R) se oxidan a cetonas (-RCOR), mediante reflujo. No pueden seguir oxidándose.
    • Los alcoholes terciarios no pueden oxidarse en absoluto.

    Recapitularemos las definiciones de alcoholes primarios, secundarios y terciarios en el transcurso de este artículo; pero, si quieres un recordatorio, dirígete a la explicación Alcoholes para obtener una explicación completa y múltiples ejemplos.

    Ahora que conocemos los fundamentos de la oxidación de los alcoholes, podemos explorar las distintas reacciones más de cerca. Empezaremos por conocer la oxidación de los alcoholes primarios.

    Oxidación de alcoholes primarios

    ¿Recuerdas la diferencia entre alcoholes primarios, secundarios y terciarios? Tiene que ver con el número de grupos R unidos a su carbono alfa:

    • En los alcoholes primarios (indicados con el símbolo 1°), el carbono alfa está unido a ninguno o a un grupo R.
    • En los alcoholes secundarios (indicados con el símbolo 2°), el carbono alfa está unido a dos grupos R.
    • En los alcoholes terciarios (indicados con el símbolo 3°), el carbono alfa está unido a tres grupos R.

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    Fig. 1: Alcoholes primarios, secundarios y terciarios, mostrados con su carbono alfa, grupo hidroxilo y grupo(s) R resaltados.

    Observa lo que esto significa para el carbono alfa de un alcohol primario, en términos de átomos de hidrógeno. Los alcoholes primarios tienen dos átomos de hidrógeno unidos a su carbono alfa (a excepción del metanol (CH3OH), que tiene tres). Al principio de este artículo, descubrimos que cada reacción de oxidación de un alcohol requiere que el carbono alfa pierda un átomo de hidrógeno. Esto significa que los alcoholes primarios pueden oxidarse dos veces: sufren una oxidación parcial y una oxidación completa.

    Oxidación parcial de alcoholes primarios

    La primera vez que oxidamos alcoholes primarios, los oxidamos parcialmente. Como en todas las reacciones de oxidación de alcoholes, se utiliza dicromato potásico (VI) acidificado con ácido sulfúrico concentrado. Sin embargo, para limitar la oxidación a sólo una oxidación parcial, utilizamos la destilación y un exceso de alcohol. Terminamos con un aldehído (-RCHO) y agua (H2O).

    Aquí tenemos la ecuación de la oxidación parcial de los alcoholes primarios. Observa que hemos representado el agente oxidante utilizando [O], que es la notación típica de las reacciones de oxidación:

    $$RCH_{2}OH + [O] \rightarrow RCHO + H_{2}O$$

    Compara las dos estructuras anteriores: el alcohol y el aldehído. En conjunto, cambiamos el grupo hidroxilo -OH del alcohol por un doble enlace C=O (conocido como grupo carbonilo) y eliminamos un átomo de hidrógeno del carbono alfa. El carbono alfa del alcohol primario gana un enlace adicional con el oxígeno y pierde hidrógeno. Esto nos deja con el característico grupo carbonilo -CHO del aldehído.

    ¿Te has perdido los grupos funcionales? No te preocupes, ¡tenemos un artículo para eso! Consulta Grupos funcionales para averiguar todo lo que necesitas saber sobre los distintos grupos orgánicos, sus fórmulas y las familias en las que se encuentran.

    Escribe una ecuación para la oxidación parcial del etanol. Indica las condiciones de la reacción y nombra el producto orgánico formado:

    La oxidación parcial del etanol (CH3CH2OH) da como resultado etanal (CH3CHO) y agua. Utiliza la destilación y un exceso de alcohol:

    $$CH_{3}CH_{2}OH + [O] \rightarrow CH_{3}CHO + H_{2}O$$

    Oxidación completa de alcoholes primarios

    Los alcoholes primarios pueden oxidarse dos veces y, observando la estructura de un aldehído, es fácil ver cómo lo hacen. Los aldehídos aún contienen un átomo de hidrógeno unido a su carbono alfa, por lo que pueden sufrir una oxidación adicional.

    Una vez más, utilizamos dicromato potásico acidificado, pero esta vez calentamos la mezcla a reflujo. La reacción produce un ácido carboxílico (-RCOOH). Observa que no se produce agua cuando oxidamos un aldehído:

    $$RCHO + [O] \rightarrow RCOOH$$

    Compara, ahora, el aldehído y el ácido carboxílico. En esta segunda reacción de oxidación, eliminamos el átomo de hidrógeno restante del carbono alfa del aldehído y formamos un enlace C-O adicional, en su lugar. El hidrógeno se une entonces al otro lado del enlace C-O y forman un grupo hidroxilo -OH. En total, el carbono alfa del aldehído gana un enlace con el oxígeno y pierde un átomo de hidrógeno. Nos queda el grupo carboxilo -COOH de los ácidos carboxílicos.

    Es totalmente posible saltarse el paso intermedio y pasar directamente de un alcohol primario a un ácido carboxílico, oxidando el alcohol dos veces de una sola vez. Oxidar un alcohol primario de esta forma se conoce como oxidación completa. No nos molestamos en destilar, sino que simplemente calentamos el alcohol a reflujo con un exceso de dicromato de potasio(VI) acidificado. La reacción global requiere dos moles del agente oxidante por cada mol de alcohol y da como resultado un ácido carboxílico y agua:

    $$RCH_{2}OH + 2[O] \rightarrow RCOOH + H_{2}O$$

    Sigamos este ejemplo:

    Escribe una ecuación para la oxidación completa del etanol. Indica las condiciones de la reacción y nombra el producto orgánico formado:

    La oxidación completa del etanol (CH3CH2OH) produce ácido etanoico (CH3COOH) y agua. Utiliza reflujo y un exceso de dicromato de potasio(VI) acidificado:

    $$CH_{3}CH_{2}OH + 2[O] \rightarrow CH_{3}COOH + H_{2}O$$

    En resumen, la oxidación parcial de los alcoholes primarios da lugar a aldehídos, mientras que la oxidación completa da lugar a ácidos carboxílicos.

    Método de oxidación parcial y total

    Habrás observado las diferentes condiciones necesarias para la oxidación parcial y total de los alcoholes primarios. Mientras que la oxidación parcial utiliza la destilación y un exceso del alcohol, la oxidación completa requiere reflujo y un exceso del agente oxidante. Hacemos estos cambios para controlar el alcance de la reacción de oxidación:

    • En la oxidación parcial, queremos oxidar el alcohol una sola vez y, por tanto, manipular las condiciones para evitar que se siga oxidando:
      • Utilizar un exceso de alcohol significa que no hay suficiente agente oxidante para oxidar el alcohol una segunda vez.
      • Los aldehídos tienen puntos de ebullición más bajos que los alcoholes. Utilizar la destilación significa que el aldehído se evapora en cuanto se forma, lo que cualquier reacción posterior con el agente oxidante.

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    Fig. 2: La oxidación parcial de alcoholes primarios produce un aldehído. Se destacan los grupos R y los grupos funcionales de las moléculas.

    • En la oxidación completa, queremos oxidar el alcohol dos veces, por lo que manipulamos las condiciones para garantizar una mayor oxidación:
      • Utilizar un exceso del agente oxidante significa que hay más que suficiente agente oxidante para una segunda reacción de oxidación.
      • El reflujo es una técnica que hace que los vapores gaseosos se condensen y vuelvan al recipiente de reacción. El uso del reflujo impide que el aldehído formado en la oxidación parcial se evapore y escape del sistema. En su lugar, el aldehído queda atrapado en el recipiente de reacción, donde puede alcanzar temperaturas más altas y reaccionar más con el agente oxidante.

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    Fig. 3: La oxidación de los aldehídos produce un ácido carboxílico. Se destacan los grupos R y los grupos funcionales de las moléculas.

    Oxidación de alcoholes secundarios

    Los alcoholes secundarios contienen dos grupos R unidos al carbono alfa C-OH. Esto les deja con un solo átomo de hidrógeno. En consecuencia, los alcoholes secundarios sólo pueden oxidarse una vez. Oxidamos los alcoholes secundarios calentándolos a reflujo con cromato potásico acidificado, lo que forma una cetona (-RCOR) y agua. Utilizar un exceso de agente oxidante no cambia nada: ¡las cetonas ya no se pueden oxidar!

    Esta es la ecuación de la reacción:

    $$RCH(OH)R + [O] \rightarrow RCOR + H_{2}O$$

    Compara las dos estructuras: el alcohol y la cetona. Cambiamos el grupo hidroxilo -OH del alcohol por un doble enlace C=O del grupo carbonilo y eliminamos un átomo de hidrógeno del carbono alfa. En total, el carbono alfa del alcohol secundario gana un enlace extra con el oxígeno y pierde hidrógeno. Esto nos deja con el característico grupo carbonilo, -CO, de la cetona.

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    Fig. 4: La oxidación de alcoholes secundarios produce una cetona. Como antes, se resaltan los grupos R y los grupos funcionales de las moléculas.

    A diferencia de los aldehídos, que pueden volver a oxidarse en ácidos carboxílicos, las cetonas no pueden seguir oxidándose. Esto se debe a que no quedan enlaces C-H en el carbono alfa de la cetona, por lo que no se puede producir la oxidación.

    Sigamos practicando:

    Escribe una ecuación para la oxidación del propan-2-ol. Indica las condiciones de la reacción y nombra el producto orgánico formado:

    La oxidación del propan-2-ol (CH3CH(OH)CH3) produce propanona (CH3COCH3) y agua. Utiliza dicromato potásico acidificado y reflujo:

    $$CH_{3}CH(OH)CH_{3} + [O] \rightarrow CH_{3}COCH_{3} + H_{2}O$$

    Oxidación de alcoholes terciarios

    Los alcoholes terciarios contienen tres grupos R unidos al carbono alfa C-OH. Si vuelves al diagrama anterior del artículo, verás que esto significa que el carbono alfa no está unido a ningún átomo de hidrógeno, no tiene enlaces C-H. Por tanto, los alcoholes terciarios no pueden oxidarse. Entonces, calentar un alcohol terciario con dicromato de potasio(VI) acidificado no tiene ningún efecto.

    ¿Por qué no podemos romper, por ejemplo, un enlace C-C en una reacción de oxidación? Bueno, los enlaces C-C son muy fuertes y estables, por lo que romperlos requiere mucha energía. Esto, simplemente, no es favorable para las reacciones de oxidación.

    Comparación de la oxidación de alcoholes

    Para resumir todo lo que hemos aprendido en este artículo, hemos creado una tabla que reúne las reacciones de oxidación de los alcoholes primarios, secundarios y terciarios.

    Tipo de oxidaciónEstructura del alcoholCondiciones de la reacciónProducto orgánicoEcuación
    Alcohol primario (oxidación parcial)-RCH2OHDestilación, exceso de alcohol Aldehído (RCHO)RCH2OH + [O] → RCHO + H2O
    Alcohol primario (oxidación completa) -RCH2OHReflujo, exceso de oxidante Ácido carboxílico (RCOOH)RCH2OH + 2[O] → RCOOH + H2O
    Alcohol secundario -RCH(OH)RReflujo Cetona (RCOR)RCH(OH)R + [O] → RCOR + H2O
    Alcohol terciario -RC(OH)R2------
    Tabla 1. Reacciones de oxidación: Resumen de las reacciones de oxidación de los alcoholes primarios, secundarios y terciarios.

    También hemos elaborado un diagrama útil para ayudarte a visualizar los productos de las reacciones de oxidación de los alcoholes y sus estructuras. El diagrama destaca los grupos R de las moléculas y sus diferentes grupos funcionales.

    Reacciones de oxidación alcoholes diagrama de productos StudySmarter

    Fig. 5: Reacciones de oxidación de alcoholes primarios, secundarios y terciarios, y sus productos orgánicos.

    Se destacan los grupos R y los grupos funcionales de las moléculas.

    Oxidación de alcoholes: Prueba de aldehídos y cetonas

    Hay un par de aplicaciones útiles para la oxidación de alcoholes. Podemos utilizar lo que sabemos sobre las reacciones de oxidación de los alcoholes para buscar aldehídos y cetonas.

    Recuerda que los aldehídos (producidos al oxidar un alcohol primario) pueden seguir oxidándose, mientras que las cetonas (producidas al oxidar un alcohol secundario) no. Muchos agentes oxidantes dan un cambio de color distinto cuando reaccionan, lo que nos permite distinguir positivamente entre estas dos familias. Debes conocer tres agentes oxidantes en particular:

    • Ya hemos conocido el dicromato de potasio(VI). Naturalmente es de un color naranja vibrante; pero, cuando reacciona, se vuelve verde.
    • Otro agente oxidante es el reactivo de Tollens. Es incoloro por naturaleza; pero, cuando consigue oxidar una especie, forma un depósito de espejo plateado.
    • El tercer agente oxidante con el que podrían hacerte la prueba es la solución de Fehling. Si la solución azul forma un precipitado rojo oscuro, sabrás que se ha producido una reacción de oxidación.

    Para distinguir entre aldehídos y cetonas, basta con calentarlos suavemente con uno de los agentes oxidantes anteriores. La tabla siguiente resume los distintos cambios de color que puedes observar.

    Especies Observación con dicromato potásico Observación con reactivo de Tollens Observación con solución de Fehling
    Aldehído La solución verde se vuelve naranja La solución incolora forma un depósito plateado de espejo La solución azul forma un precipitado rojo oscuro
    Cetona La solución permanece verde (sin reacción visible) La solución permanece incolora (sin reacción visible) La solución permanece azul (sin reacción visible)
    Tabla 2. Reacciones de oxidación: Los cambios de color que ayudan a distinguir entre aldehídos y cetonas.

    Ten en cuenta que sólo podemos utilizar el reactivo de Tollens y la solución de Fehling para oxidar aldehídos en ácidos carboxílicos. No podemos utilizarlos para oxidar alcoholes primarios o secundarios en aldehídos o cetonas, respectivamente. La oxidación directa de alcoholes requiere un agente oxidante fuerte, y tanto el reactivo de Tollens como la solución de Fehling son demasiado débiles. Sin embargo, ¡el dicromato potásico acidificado es adecuado!

    Combustión: oxidación

    Para terminar, veamos la definición de combustión:

    Una reacción de combustión es una reacción de oxidación que ocurre muy rápidamente.

    Las reacciones de combustión se producen generalmente entre un compuesto formado por carbono (C) e hidrógeno (H), siempre en presencia de oxígeno (O) y se desprende mucho calor:

    $$Hidrocarburo+O_2 \rightarrow CO_2+H_2O$$

    Oxidación de alcoholes - Puntos clave

    • Los alcoholes participan en reacciones de oxidación. Estas introducen un enlace C-O adicional en la molécula y eliminan hidrógeno.
    • Para oxidar un alcohol, lo calentamos con un agente oxidante. Normalmente utilizamos dicromato potásico (VI) (Na2Cr2O7) y un catalizador de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4).
    • Las reacciones de oxidación de los alcoholes difieren según su estructura.
      • Los alcoholes primarios se oxidan parcialmente en aldehídos, utilizando la destilación y un exceso del alcohol.
      • Los alcoholes primarios también pueden oxidarse totalmente a ácidos carboxílicos, mediante reflujo y un exceso del agente oxidante.
      • Los alcoholes secundarios se oxidan en cetonas, mediante reflujo.
      • Los alcoholes terciarios no pueden oxidarse.
    • Los principios de la oxidación de los alcoholes nos permiten comprobar familias orgánicas específicas. Los aldehídos pueden seguir oxidándose con agentes oxidantes, mientras que las cetonas no. Al calentar el dicromato potásico (VI), el reactivo de Tollens o la solución de Fehling (que son ejemplos de agentes oxidantes) con un aldehído se produce un cambio de color evidente. Sin embargo, al calentarlos con una cetona no se produce ninguna reacción visible.
    • Una reacción de combustión es una reacción de oxidación que ocurre muy rápidamente.
    Preguntas frecuentes sobre Reacciones de oxidación

    ¿Qué se obtiene de la oxidación de un alcohol primario?

    Un alcohol primario (-RCH2OH) se oxida parcialmente a aldehído (-RCHO), mediante destilación. Después, puede oxidarse totalmente a ácido carboxílico (-RCOOH), mediante reflujo.

    ¿Qué pasa cuando se oxida una cetona?

    Las cetonas no se pueden oxidar.

    ¿Cuándo se oxidan los aldehídos?

    Los aldehídos aún contienen un átomo de hidrógeno unido a su carbono alfa, por lo que pueden sufrir una oxidación adicional. Se utiliza dicromato potásico acidificado, y se calienta la mezcla a reflujo. La reacción produce un ácido carboxílico (-RCOOH). No se produce agua cuando oxidamos un aldehído. 

    ¿Qué es una reacción de oxidación en química orgánica?

    Una reacción de oxidación es una reacción química en la que el compuesto cede o dona electrones.

    ¿Cuál es la diferencia entre oxidación y combustión?

    La oxidación es una reacción química en la que el compuesto cede o dona electrones a otro, y la combustión es una reacción de oxidación que ocurre muy rápidamente.

    Pon a prueba tus conocimientos con tarjetas de opción múltiple

    ¿Verdadero o falso? La oxidación es la ganancia de electrones.

    ¿Verdadero o falso? La oxidación es la pérdida de electrones.

    ¿Verdadero o falso?: Las reacciones de combustión son reacciones de oxidación que ocurren lentamente.

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