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BLOQUE A
CUESTIÓN 2.- Los valores de los momentos dipolares de las siguientes moléculas gaseosas son: MOLECULAS CF 4 NH 3 BF 3 SO 2 μ (D) 0 1,5 0 1, a) Interpreta estos valores en función de la estructura de cada molécula. b) Justifica el tipo de hibridación empleada por el átomo central. c) Explica la naturaleza de las fuerzas intermoleculares presentes en cada caso.
Solución:
a) El momento dipolar molecular del CF 4 es cero debido a que la molécula presenta una geometría tetraédrica regular, y ello hace que la suma vectorial de los momentos dipolares de enlace (se encuentran polarizados por la diferencia de electronegatividad de los átomos) se anula, es decir, es 0. Para la molécula NH 3 , con geometría piramidal trigonal y un par de electrones libres en el vértice superior, la suma vectorial de los momentos dipolares de los enlaces (polarizados como los del apartado anterior) es el valor indicado de 1,5. En la molécula BF 3 con geometría plana triangular, el momento dipolar molecular es 0 por anularse los momentos dipolares de enlace como en el apartado a). En la molécula SO 2 de geometría angular, los momentos dipolares de enlace no se anulan al sumarlos vectorialmente y toman el valor que se indica en la tabla, 1,6.
b) En las moléculas CF 4 el átomo central C promociona un electrón del orbital 2s al orbital vacío 2p, y por combinación lineal de los orbitales 2s^1 y 2p^3 forman cuatro orbitales híbridos sp^3 , que los utiliza para unirse a los cuatro átomos de F. El N es el átomo central en la molécula NH 3 , y por combinación lineal de los orbitales 2s^2 y 2p^3 forma cuatro orbitales híbridos sp^3 , utilizando 3 de ellos para unirse a tres átomos de H y el cuarto para situar el par de electrones libres. El átomo de B en la molécula BF 3 , promociona un electrón del orbital atómico 2s^2 a uno de los 2p^1 vacíos, y por combinación lineal del orbital atómicos 2s y dos 2p, forman tres orbitales híbridos sp^2 que los utiliza para unirse a tres átomos de F. En la molécula SO 2 el átomo central, S, combina linealmente el orbital atómico 3s y dos 3p para formar tres orbitales híbridos sp^2 , dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero, con un par de electrones libres en uno de ellos, y los otros dos para unirse a los átomos de O. La repulsión del par de electrones libres y los pares de electrones de enlace hace que la molécula sea angular.
c) En los compuestos CF 4 y BF 3 , cuyas moléculas son apolares, las fuerzas de interacción entre ellas son atractivas de dispersión, que aparecen debido a la formación de dipolos instantáneos por desplazamiento de la carga electrónica. En las moléculas polares NH 3 y SO 2 , las fuerzas intermoleculares entre ellas son atractivas dipolo-dipolo, mucho más intensa que las anteriores y que aumentan su intensidad con el valor del momento dipolar de la molécula.
PROBLEMA 1.- Contesta razonadamente las siguientes cuestiones: a) Explica cómo se puede predecir si una reacción ocurrirá de forma espontánea en función de los valores de ∆Hº y ∆Sº. b) Los valores ∆Sº y ∆Hº para la descomposición térmica de un óxido de nitrógeno según
la reacción N 2 O (g) → N 2 (g) + 2
O 2 (g) son, respectivamente, 75,2 J·K–1^ · mol–1^ y 43,
kJ · mol–1. Determina la temperatura a la que reacción anterior se produce espontáneamente.
Solución:
a) Termodinámicamente se dice que una reacción es espontánea cuando la variación de la energía de Gibbs, ∆G, es menor de cero, es decir, que se cumple que ∆G = ∆H – T · ∆S < 0. Si ambos valores son positivos, la espontaneidad de la reacción depende del valor de la temperatura. En este supuesto, para valores altos de temperatura, el valor absoluto de la variación de
entalpía │∆H│ es menor que el valor absoluto del producto de la temperatura por la variación de entropía │T · ∆S│, es decir, │∆H│< │T · ∆S│y en consecuencia ∆G < 0 y la reacción es espontánea. Si los valores de variación de entalpía y entropía son negativos, la reacción es espontánea para bajas temperaturas, pues en estas condiciones se cumple que│∆H│>│T · ∆S│y en consecuencia, ∆G < 0. Para la variación de entalpía positiva y la entropía negativa, la reacción nunca será espontánea al sumarse la primera con el producto de la temperatura por la segunda, es decir, ∆G = ∆H – T · (– ∆S) > 0. En el caso de que la variación de entalpía sea negativa y la de entropía positiva, la reacción será espontánea para cualquier valor de la temperatura, pues se cumple que: ∆G = – ∆H – T · ∆S < 0.
b) Despejando la temperatura de la expresión anterior, dando el valor 0 a la variación de energía de Gibbs, sustituyendo valores y operando, sale el valor:
T = = ⋅ ⋅ ⋅
− − −
− 3 1 1
1
75 , 210
kJ K mol
kJ mol S
G H
583,78 K.
La reacción es espontánea a partir de 583,78 K o a partir de 583,78 – 273 = 310,78 ºC.
Resultado: b) A partir de 310,78 ºC
PROBLEMA 2.- Contesta razonadamente las siguientes cuestiones: a) Escribe el equilibrio de ionización en agua del ácido fluorhídrico. Si el valor de Ka a 25 ºC, es igual a 1,1 · 10–3, calcula el pH de una disolución 0,02 M de ácido fluorhídrico. b) Calcula el grado de disociación del ácido acético 0,05 M sabiendo que su Ka es 1,8·10–5.
Solución:
a) El equilibrio de ionización del ácido HF en disolución es: HF + H 2 O ⇆ F−^ + H 3 O+. Llamando x a concentración de ácido que se disocian, las concentraciones en el equilibrio son: HF + H 2 O ⇆ F−^ + H 3 O+ Concentración en el equilibrio: 0,02 − x x x Sustituyendo estas concentraciones en la constante de acidez del ácido:
Ka =
[ ] [ ]
[ ]
2 3 3 x
x HF
F H O
y resolviendo la ecuación de segundo grado que aparece,
se tiene para x el valor x = 4,17 · 10–3^ M. El pH de la disolución es: pH = − log [H 3 O+] = − log 4,17 · 10−^3 = 4 − log 4,17 = 4 – 0,62 = 3,38.
b) Si α es el grado de disociación del ácido acético, tanto por uno de moles disociados, los moles al inicio y en el equilibrio de las distintas especies son:
CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) ⇄ CH 3 COO−^ (aq) + H 3 O+^ (aq) Concentraciones iniciales: 0,05 0 0 Concentraciones en el equilibrio: 0,05 · (1 − α) 0,05 · α 0,05 · α Sustituyendo estas concentraciones en la constante de acidez del ácido:
[ ] [ ]
[ ]
2 2 5 3
− + α α α
α CH COOH
CH COO HO
K (^) a
que resuelta da para α el valor: α = 0,0188 = 1,88 %.
Resultado: a) pH = 3,38; b) α = 1,8 %.
BLOQUE B
CUESTIÓN 1.- En relación con los compuestos iónicos. a) ¿Qué información proporciona la fórmula de un compuesto iónico? b) ¿Qué es la energía reticular? c) ¿Un sólido iónico es dúctil y maleable? Justifique la respuesta.
Solución:
b) Cuantitativamente, mediante el cálculo del cociente de reacción y su comparación con la constante de equilibrio, hacia dónde se desplaza la reacción para alcanzar de nuevo el equilibrio.
Solución:
a) La concentración de cada especie gaseosa en el equilibrio es: N 2 (g) + 3 H 2 (g) ⇆ 2 NH 3 (g) Concentración equilibrio: 0,683 8,80 1, Si al equilibrio se le añade NH 3 hasta la nueva concentración, el sistema responderá, ante el aumento de concentración producido, consumiendo NH 3 para producir N 2 y H 2 hasta alcanzar un nuevo equilibrio, pues en las nuevas condiciones, el cociente de reacción Qc es mayor que la constante de equilibrio Kc y el sistema evoluciona, desplazándose hacia la izquierda.
b) El valor de la constante de equilibrio y el cociente de reacción es:
Kc =
[ ]
[ ] [ ]
2 3 2 2
2 3 0 , 6838 , 80
N H
NH
2,37 · 10–3; Qc =
[ ]
[ ] [ ]
2 3 2 2
2 3 0 , 6838 , 80
N H
NH
Luego, como se ha expuesto en el apartado anterior, al ser Qc > Kc, el sistema recupera el equilibrio alterado desplazándose hacia la izquierda.
PROBLEMA 2.- La constante del producto de solubilidad del Cu(OH) 2 , a 25 ºC, tiene un valor de 2,20·10–20. a) ¿Cuál es la solubilidad del Cu(OH) 2 en agua, a 25 ºC? b) ¿Cuál será la concentración máxima de Cu2+(ac) en la sangre si su pH es 7,4?
Solución:
a) El equilibrio de ionización de la sal es: Cu(OH) 2 ⇆ Cu2+^ + 2 OH−.
De la estequiometría del equilibrio de solubilidad se deduce que, si la solubilidad de la sal en disolución es S moles · L−^1 , la solubilidad de los iones Cu2+^ es S, y la de los iones OH−^ es 2 · S. Del producto de solubilidad: Kps = [Cu2+] · [OH−]^2 = S · (2 · S)^2 = 4 · S^3 , sustituyendo las variables conocidas por sus valores, despejando S y operando:
2,2 · 10−^20 = 4 · S^3 ⇒ S = = ⋅ =
3 ⋅^ −^203 −^21
1,765 · 10−^7 moles · L−^1.
b) Si el pH en la sangre es 7,4, el pOH será 14 – 7,4 = 6,6, siendo la concentración de iones hidróxidos en la sangre, [OH−] = 10–6,6^ = 100,4^ · 10–7^ = 2,51 · 10–7^ M. Despejando de la expresión del producto de solubilidad la concentración de Cu2+, sustituyendo
valores y operando sale: Kps =
[ ] ( )
−
−
− 7 2
20 2 2 , 5110
OH
K (^) ps 3,5 · 10–7^ M.
Resultado: a) 1,765 · 10 −−−−^7 M; b) 1,765 · 10 −−−−^7 M.
