SOLUCIONARIO Guía Estándar Anual

Transcripción

1 SOLUCIONARIO Guía Estándar Anual Polaridad de las moléculas y fuerzas intermoleculares. SGUICES034CB33-A16V1

2 Ítem Alternativa Habilidad 1 A ASE 2 E Reconocimiento 3 D ASE 4 B ASE 5 C ASE 6 D Reconocimiento 7 A Comprensión 8 B Comprensión 9 A Comprensión 10 A Comprensión 11 A ASE 12 E Comprensión 13 D ASE 14 E ASE 15 B ASE 16 C Comprensión 17 B ASE 18 C Comprensión 19 C Comprensión 20 C ASE 21 D ASE 22 B ASE 23 C ASE 24 A Comprensión 25 A ASE

3 EJERCICIOS PSU Ítem Alternativa Defensa 1 A Si un átomo del elemento X está ubicado a la izquierda y abajo en una tabla periódica, lo más probable es que forme cationes. Por otra parte, si un átomo del elemento Y tiene una electroafinidad muy alta, significa que formará aniones. Por lo tanto, lo más probable es que X e Y se enlacen a través de un enlace iónico, unión que se establece por atracción electrostática entre un catión y un anión para formar compuestos. Por lo tanto, las moléculas de este compuesto establecen entre sí interacciones de tipo ion-ion. 2 E Para determinar la polaridad de una molécula, es necesario conocer: 1. la electronegatividad de los elementos que componen la molécula, ya que así se puede determinar si habrá diferencia en la densidad electrónica de la molécula. 2. la estructura de Lewis de la molécula para determinar si existen pares de electrones libres en el átomo central, determinar la geometría de la molécula y evaluar si existe polaridad. 3. el tipo de enlace de la molécula, ya que en el enlace covalente se producen momentos dipolares, debido a la diferencia electronegatividades. 3 D La estructura de Lewis de la molécula de CO 2 es: En ella se puede apreciar que la molécula no tiene pares de electrones libres alrededor del átomo central (alternativa E incorrecta) y que contiene dos enlaces dobles entre carbono y oxígeno. Como este último es más electronegativo que el carbono, cada uno de los enlaces es polar (alternativa A incorrecta). Sin embargo, dado que los momentos dipolares de cada uno de los enlaces son iguales en

4 magnitud y de sentido opuesto (alternativa D correcta), estos se anulan, haciendo que la molécula sea apolar. Por lo tanto, las moléculas de CO 2 no pueden establecer enlaces dipolo-dipolo entre sí, ya que este tipo de interacción se forma entre moléculas polares (alternativa B incorrecta). El enlace puente de hidrógeno es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo, que se forma entre un átomo electronegativo, como F, N y O, y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo de un compuesto polar. Por lo tanto, es incorrecto que se forme este tipo de interacción entre las moléculas de CO 2 y las de H 2 O, ya que las primeras no son polares (alternativa C incorrecta). 4 B Para determinar la polaridad de las moléculas es necesario conocer su geometría, además determinar si los elementos en la molécula generan algún momento dipolar µ 0. Para el tolueno, se sabe que el benceno es una molécula apolar, sin embargo, al estar uno de sus hidrógenos sustituido con el grupo metilo, este genera un momento dipolar (µ 0) que la transforma en una molécula polar. Para el trans-1,2-dibromoeteno, sabiendo que el bromo es un átomo más electronegativo que el carbono, se puede deducir que en el enlace C Br, se genera un momento dipolar, que desplaza la nube electrónica hacia el bromo. En el caso del enlace C H, el carbono es levemente más electronegativo que el hidrógeno, por lo que se genera un pequeño momento dipolar en dirección al carbono. A pesar de la presencia de estos enlaces polares, la molécula es apolar, ya que debido a la simetría de su estructura, los momentos dipolares se anulan. Para el cis-1,2-dibromoeteno, siendo el átomo de bromo el más electronegativo, se genera una densidad de carga negativa sobre él y una densidad de carga positiva sobre los hidrógenos, formando una molécula polar.

5 Para el amoniaco, como el átomo de nitrógeno es más electronegativo y además posee un par de electrones libres, se genera una densidad de carga negativa sobre él y una densidad de carga positiva sobre los hidrógenos, formando una molécula polar. Para el agua, siendo el átomo de oxígeno el más electronegativo y poseer pares de electrones libres, se genera una densidad de carga negativa y una densidad de carga positiva sobre los hidrógenos, formando una molécula polar. 5 C Respecto a la molécula de BF 3 podemos afirmar que no cumple con la regla del octeto, ya que al enlazarse el boro queda rodeado de 6 electrones, en vez de 8 (A incorrecta). No existen pares de electrones libres alrededor del átomo central (D correcta), por lo tanto, su geometría es plana trigonal (B incorrecta), con ángulos de enlace de 120. Pese a que contiene tres enlaces covlentes polares (E incorrecta), es una molecular apolar (C correcta) debido a que todos los momentos dipolares se anulan (µ = 0). 6 D Dentro de una molécula, los átomos están unidos entre sí a través de fuerzas intramoleculares, las que incluyen al enlace covalente, iónico y metálico (alternativas A y E incorrectas). Estas fuerzas son las que deben vencerse para que ocurra un cambio químico (alternativa B incorrecta). Las fuerzas intermoleculares, son aquellas que se establecen entre moléculas de un compuesto. De ellas dependen las propiedades físicas de las sustancias, como el estado de agregación, punto de fusión, punto de ebullición, etc. (alternativa D correcta). Individualmente, estos enlaces son más débiles que un enlace intramolecular, como el enlace covalente (alternativa C incorrecta). 7 A La molécula del tetracloruro de carbono (CCl 4 ) es un tipo de molécula AB 4, cuyo ángulo de enlace es de 109,5. No presenta pares de electrones libres en el átomo central, por lo que se forman 4

6 momentos dipolares de igual magnitud, que se anulan debido a la geometría de la molécula, lo que hace que sea apolar. 8 B La molécula gaseosa de N 2 no presenta momento dipolar por lo que es apolar, pero al interactuar con el agua, que sí presenta un momento dipolar, se produce una distorsión de su nube electrónica, convirtiéndose de modo transitorio en un dipolo. Este tipo de interacción se denomina dipolo inducido (N 2 ) dipolo permanente (agua). 9 A El hielo puede flotar en el agua líquida debido a que presenta menor densidad (opción II correcta; III incorrecta), esto se debe a que en el hielo, los puentes de hidrógeno entre las moléculas se establecen de tal forma que estas adoptan las formas hexagonales características de los cristales de hielo (opción IV incorrecta). En estas estructuras se producen espacios no ocupados por moléculas sueltas, a diferencia de lo que ocurre en el agua líquida. Por ello, un volumen de hielo tiene menor masa que el mismo volumen de agua (opción I correcta). 10 A El punto de ebullición está directamente relacionado con la mayor o menor interacción entre las moléculas, ya que mientras mayor sea está interacción más va a costar que se separen las moléculas y mayor será el punto de ebullición de las mismas. Los ácidos orgánicos presentan mayores puntos de ebullición que los ésteres y éteres, ya que las moléculas de los ácidos interactúan por puentes de hidrógeno, que es una interacción más fuerte que la que presentan los dos últimos (dipolo- dipolo). 11 A Las moléculas polares pueden establecer interacciones de tipo dipolodipolo entre sí. A mayor polaridad, estas fuerzas intermoleculares serán mayores, por lo que se requerirá más energía para romper la unión entre las moléculas, determinando un mayor punto de ebullición. De acuerdo a los datos entregados, las moléculas que tienen mayores

7 puntos de ebullición son los ácidos y los alcoholes, ya que ellos interactúan por puentes de hidrógeno, un tipo particular de interacción dipolo dipolo, de mayor fuerza (opción I correcta). Los ésteres presentan polaridad, pero esta es menor que la de alcoholes y ácidos carboxílicos (opción II incorrecta); los éteres son poco polares y los alcanos son apolares, por lo tanto, presentan interacciones más débiles, facilitando la ruptura de enlaces y generando puntos de ebullición más bajos (opción III incorrecta). 12 E La solvatación de NaCl en el agua se debe a que la atracción que existe entre los iones Na + y Cl - y los correspondientes polos con carga opuesta de la molécula de agua, es capaz de vencer las fuerzas que mantienen juntos a Na y Cl en estado sólido. Esta interacción entre los iones Na + y Cl - y la molécula dipolar de agua es de tipo ion - dipolo. 13 D El H 2 es una molécula apolar por lo tanto, las interacciones que se forman entre moléculas de H 2 serán fuerzas de dispersión de London. Entre moléculas de HBr (moléculas polares), las fuerzas de interacción serán de tipo dipolo - dipolo y por último entre moléculas de NH 3 (moléculas polares) la interacción será por puentes de hidrógeno, ya que estos se forman entre H y F, N u O. 14 E Para determinar las características de la molécula de Cl 2 es necesario conocer que sus átomos se enlazan mediante un enlace covalente apolar, ya que se están uniendo dos átomos iguales. Como tienen electronegatividades iguales no habrá polaridad en la molécula. Por último, la interacción de moléculas de Cl 2 entre sí, ocurre por la formación de dipolos instantáneos y dipolos inducidos, lo que se denomina fuerzas de dispersión de London.

8 15 B Para determinar las características de la molécula de CH 4 tenemos que conocer que los enlaces C-H son de tipo covalente y por poseer electronegatividades distintas se determina que es además polar. Al conocer la geometría de la molécula, que es tetraédrica, podemos ver que todos los momentos dipolares de la molécula se anulan, por ende la molécula no presentará polaridad. 16 C En el caso de la 2-pentanona (CH 3 -CO-CH 2 -CH 2 -CH 3 ), se trata de fuerzas de Van der Waals dipolo-dipolo, ya que el grupo carbonilo, cetónico posee un enlace polar. Son fuerzas de cohesión débiles. En el n-hexano (CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 ), se establecen fuerzas de Van der Waals de tipo dipolo instantáneo - dipolo inducido, ya que la molécula no muestra enlaces polares. Estas interacciones se denominan también fuerzas de London. Esto quiere decir que sus fuerzas de cohesión son aún menores que en el caso anterior. Para el ácido acético (CH 3 -COOH), las fuerzas de cohesión son puentes de hidrógeno porque el grupo carboxilo posee un enlace OH muy polarizado, que permite este tipo de interacción. Son fuerzas de cohesión mayores. 17 B Habilidad de pensamiento científico: Procesamiento e

9 interpretación de datos y formulación de explicaciones, apoyándose en los conceptos y modelos teóricos. Las líneas discontinuas muestran una unión entre moléculas, por lo que corresponden a uniones intermoleculares (opción I incorrecta). Este tipo de interacción entre moléculas de agua se denominan puentes de hidrógeno y son un tipo especial de interacción dipolodipolo. Las uniones dipolo dipolo se forman cuando las moléculas presentan polos dentro de su estructura, estableciéndose una interacción entre zonas con carga parcial positiva y zonas con carga parcial negativa (opción II correcta). Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas, por lo que las uniones entre ellas se rompen (opción III incorrecta). 18 C Los enlaces intramoleculares corresponden a los enlaces que se dan entre los átomos de una misma molécula (enlaces iónicos y enlaces covalentes). En el caso de una molécula de agua se forman enlaces covalentes polares entre el átomo de oxígeno e hidrógeno. Los enlaces intermoleculares son los que se dan entre las moléculas (puentes de hidrógeno y enlaces por fuerzas de Van der Waals). Las moléculas de agua interactúan entre sí a través de puentes de hidrógeno. 19 C El puente de Hidrógeno, se forma por la fuerza dipolo dipolo entre un átomo muy electronegativo (N, O o F) y un átomo de H unido covalentemente a otro átomo electronegativo (N, O o F ). El benceno (C 6 H 6 ) es una molécula aromática que no presenta grandes diferencias de electronegatividad en su estructura interna, por lo que no existirán atracciones electrostáticas entre moléculas de C 6 H 6, siendo imposible que forme puentes de hidrógeno, tal como el agua y los demás compuestos mencionados que sí las poseen.

10 20 C El punto de ebullición depende de las fuerzas intermoleculares que se establecen en una sustancia. Mientras más fuertes sean estas, mayor será la energía que se tendrá que aplicar para separar las moléculas y con ello el punto de ebullición será mayor. Los tres compuestos que se presentan son polares, pero solo dos de ellos pueden formar puentes de hidrógeno (CH 3 OH y CH 3 NH 2 ). Por lo tanto, el menor punto de ebullición corresponde a CH 3 Br (2). Como el O tiene mayor electronegatividad que el N, la polaridad del enlace O-H es mayor que la del enlace N-H, por lo que se puede inferir que las interacciones por puente de hidrógeno entre moléculas de CH 3 OH serán más fuertes que entre moléculas de CH 3 NH 2. Así, el orden creciente de los puntos de ebullición de los compuestos es: 2, 1, D El hidrógeno (H2) está formado por dos átomos iguales, por lo que los electrones son atraídos con la misma fuerza por ambos núcleos y el momento dipolar es igual a cero. H H En el metano, los enlaces C-H son débilmente polares dado que el átomo de carbono y el de hidrógeno presentan similar electronegatividad. Sin embargo, debido a la geometría tetraédrica de la molécula, los momentos dipolares de enlace se cancelan entre sí, haciendo que sea apolar. El caso del amoniaco es similar al de la molécula de agua: el nitrógeno es más electronegativo que el hidrógeno y, por tanto, los tres enlaces N-H son polares. Además, existe un par de electrones libres en el átomo de N, de modo que la densidad de carga se encuentra desplazada hacia este átomo.

11 22 B Estas sustancias presentan una masa molar similar, por lo tanto tenemos que observar la polaridad o la capacidad de formar puentes de hidrógeno. Puesto que el butanol es el único que puede formar enlaces puente de hidrógeno, presentará el punto de ebullición más elevado, debido a la presencia del grupo OH (hidroxilo). Este tipo de enlace intermolecular es más fuerte que los enlaces de Van der Waals (dipolo dipolo y dipolo instantáneo dipolo inducido), que se dan en el resto de las moléculas, por lo que se necesita más energía para romper estas fuerzas intermoleculares y, en consecuencia, el punto de ebullición es mayor. 23 C Para que una sustancia orgánica sencilla sea soluble en agua ha de presentar un grupo polar en su molécula o bien un grupo capaz de formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua, y a su vez tener la cadena hidrocarbonada pequeña. La posibilidad de formación de enlace de puente de hidrógeno con el agua favorece mucho la solubilidad. Con estas premisas la sustancia más soluble en agua será el propanol, ya que puede formar puentes de hidrógeno, considerándose una molécula medianamente polar. Las otras sustancias serán poco o nada solubles. 24 A El enlace covalente entre dos átomos es el más fuerte, el que mantiene unidos o ligados a éstos más firmemente, y tiene un carácter direccional. El enlace por puente de hidrógeno tiene un cierto carácter covalente, con una cierta direccionalidad, que hace que su magnitud sea mayor que las fuerzas de Van der Waals. El enlace por puente de hidrógeno se forma entre un átomo de H perteneciente a una molécula, con un átomo de O, F o N perteneciente a otra molécula. En último lugar están las fuerzas de Van der Waals; para los átomos de los gases nobles estas fuerzas dependen de la polarizabilidad, pero para moléculas también dependen de la polaridad de éstas. 25 A Tanto el p-dihidroxibenceno como el o-dihidroxibenceno pueden formar enlace de puente de hidrógeno, puesto que tienen dos grupos OH; pero el isómero orto (o-) presenta los grupos OH lo suficientemente próximos para permitir la formación de enlace de puente de hidrógeno intramolecular, tal como se representa en el diagrama. La formación de este enlace disminuye la posibilidad de la formación del enlace intermolecular y por tanto disminuye la fuerza de

12 las interacciones intermoleculares; en consecuencia, el isómero para (p-) presentará un punto de ebullición superior.