¿Qué es una reacción de hidratación?

El término “reacción de hidratación” puede referirse a uno de dos tipos de procesos químicos diferentes según el contexto en el que se utilice. En particular, representa reacciones químicas muy distintas dependiendo de si se está hablando de química orgánica o de química inorgánica.

Las reacciones de hidratación en química orgánica

La rama de la química en la que más se utiliza el término de reacción de hidratación es en la química orgánica. En este caso, se entiende como reacción de hidratación cualquier reacción que implique la adición de los elementos que conforman a la molécula de agua a un enlace múltiple o a un anillo sometido a gran tensión angular (tal como un grupo ciclopropilo o un grupo epóxido). La reacción implica la ruptura de un enlace, bien sea uno de los enlaces pi del enlace múltiple o de uno de los enlaces sigma en el caso de los ciclos tensionados, reduciendo así el número de insaturaciones del compuesto original.

En este tipo de reacciones, uno de los dos átomos que originalmente estaban enlazados por medio de un enlace doble o triple, se enlaza a un grupo hidroxilo (-OH), mientras que el otro recibe un átomo de hidrógeno, completando así los dos hidrógenos y el oxígeno que forman la molécula de agua.

Cabe resaltar que, a pesar de que la reacción neta de la hidratación es la adición de una molécula de agua a la estructura de un sustrato orgánico, el grupo hidroxilo y el átomo adicional de hidrógeno no necesariamente provienen de la misma molécula de agua. Por otro lado, dependiendo del tipo de sustrato involucrado, la reacción de hidratación puede producir distintos tipos de productos, lo cual da origen a varios tipos diferentes de reacciones de hidratación. Estas se describen a continuación.

Reacción de hidratación de alquenos

El caso más sencillo de las reacciones de hidratación es el de la hidratación de alquenos, aquellos hidrocarburos insaturados que poseen un enlace doble carbono-carbono. La reacción de hidratación de los alquenos da como producto un alcohol (R-OH), el cual puede ser primario, secundario o terciario dependiendo al qué tan sustituido estaba el enlace doble inicial.

Estas reacciones se pueden llevar a cabo de muchas maneras diferentes y utilizando una gran variedad de reactivos o catalizadores diferentes. La más simple de todas es la reacción de hidratación de alquenos catalizada por ácidos, tal como la que se presenta a continuación a manera de ejemplo.

Reacción de hidratación de alquinos

Al igual que en el caso de la hidratación de alquenos, la hidratación de alquinos es la adición de un grupo –OH y un átomo de hidrógeno a dos átomos de carbono enlazados por medio de un enlace triple. La reacción involucra la ruptura de uno de los enlaces pi del enlace triple, con lo que se reduce en uno las insaturaciones de la molécula.

El producto inicial de la hidratación de alquinos es un enol (la combinación entre un alqueno y un alcohol) en el cual el grupo hidroxilo está enlazado directamente a un átomo de carbono con hibridación sp² que forma parte de un enlace doble con otro átomo de carbono. Este tipo de compuestos frecuentemente sufre un proceso de reordenamiento, por medio del cual se convierte en un compuesto carbonílico. Dependiendo del patrón de sustitución del alquino original, este compuesto carbonílico puede ser un aldehído (si era un alquino terminal) o una cetona (en cualquier otro caso). La siguiente ecuación química muestra la reacción general de hidratación de alquinos.

Al último equilibrio de reordenamiento entre el enol y el respectivo aldehído o cetona se le conoce como tautomerismo ceto-enólico, y casi siempre favorece a la formación del último.

Reacción de hidratación de aldehídos y cetonas

Los aldehídos y cetonas son compuestos carbonílicos, es decir, que contienen un enlace doble entre carbono y oxígeno. Este enlace doble también puede sufrir una reacción de hidratación, en cuyo caso el grupo hidroxilo se adiciona al átomo de carbono mientras que el hidrógeno se une al oxígeno carbonílico, convirtiéndolo en un grupo hidroxilo. El producto final de la reacción es un alcohol doble (o diol) con dos grupos hidroxilo unidos al mismo carbono, el cual se denomina diol geminal. La reacción general de la hidratación de aldehídos y cetonas se presenta a continuación.

Dependiendo de si R₁ y/o R₂ son hidrógenos o grupos alquilo, se tratará, respectivamente, de la hidratación de un aldehído o de una cetona.

Las reacciones de hidratación en química inorgánica

A diferencia de la química orgánica, en el campo de la química inorgánica, se conocen como reacciones de hidratación a aquellos procesos en los cuales una sal anhidra absorbe moléculas de agua, en proporciones estequiométricas bien definidas, para formar un hidrato. No se trata de que la sal se humedezca, sino más bien de una reacción química en la que las moléculas de agua se enlazan al catión de la sal (generalmente por medio de enlaces covalentes coordinados) y pasan a formar parte de la estructura cristalina del compuesto.

No todas las sales sufren reacciones de hidratación. Por ejemplo, el cloruro de sodio (la sal común de mesa) no lo hace. En cambio, otras sales tienen una tendencia muy marcada a absorber moléculas de agua de donde quiera que las puedan encontrar, como por ejemplo el sulfato de cobre (II).

A las moléculas de agua que forman parte de la estructura cristalina se les denomina aguas de cristalización, y a los compuestos iónicos que contienen aguas de cristalización se les denomina hidratos. Por otro lado, aquellos compuestos que pueden formar hidratos pero que no contienen aguas de hidratación, se les conoce como sales anhidras.

Establecidos todos estos términos, podemos entonces definir una reacción de hidratación en química inorgánica como la reacción química por medio de la cual una sal anhidra reacciona con agua para formar un hidrato. Las aguas de hidratación se indican como parte de la fórmula de los hidratos colocando un punto luego de la fórmula de la sal anhidra, seguido del número de moléculas de agua que hay por cada fórmula de la sal y, finalmente, la fórmula del agua (H₂O).

La siguiente es un ejemplo de una reacción de hidratación que involucra al sulfato de cobre (II):

¿Cómo se produce la hidratación de las sales anhidras?

El proceso de hidratación de las sales anhidras puede ocurrir de distintas maneras. La forma más común es que las moléculas de agua de cristalización pasen a formar parte de la estructura del sólido cristalino durante el proceso de formación del cristal a partir de una disolución saturada (es decir, durante el proceso de cristalización, y de ahí su nombre).

Por otro lado, la hidratación de sales anhidras también puede ocurrir de manera espontánea cuando dichas sales se exponen a aire húmedo, en cuyo caso el hidrato se forma absorbiendo moléculas de agua directamente de la fase gaseosa.

Las moléculas de agua de hidratación se distinguen fácilmente de las moléculas de agua que mojan o humedecen al sólido tras separarlo de la disolución madre por filtración u otra técnica de separación, en que estas no se evaporan fácilmente. De hecho, los cristales se pueden secar durante largos periodos a temperaturas moderadas sin que la sal se deshidrate. Esto se debe a que las moléculas de hidratación están fuertemente enlazadas y atrapadas en la estructura cristalina del sólido (forman parte de dicha estructura) y se requiere un mínimo de energía para poder romper esta interacción.

Referencias

Carey, F. (2021). Quimica Organica (9.^a ed.). MCGRAW HILL EDDUCATION.

Fernández, G. (s. f.-a). Aldehídos y cetonas. Química Orgánica – Universitatis Chemia. https://www.quimicaorganica.org/aldehidos-y-cetonas.html

Fernández, G. (s. f.-b). Hidratación de Alquinos. Química Orgánica – Universitatis Chemia. https://www.quimicaorganica.org/alquinos/372-hidratacion-de-alquinos.html

Gutiérrez, J. (2010). COMPUESTOS CARBONÍLICOS: ALDEHÍDOS Y CETONAS I. Universidad de La Laguna. https://jgutluis.webs.ull.es/clase29.pdf

Rodrigo, M. (s. f.). sal anhidra. Scribd. https://es.scribd.com/document/476198150/sal-anhidra