S O L U C I O N A R I Unitat 9

Transcripción

1 S O L U C I O N A R I Unitat 9 Unitat 9. L enllaç químic. Geometria molecular Qüestions inicials Sabríeu dir quina és l estructura de Lewis de la molècula d aigua? L estructura de Lewis de la molècula d aigua és: H O H Quin és el significat de l expressió estructures ressonants? Les estructures ressonants són maneres de simbolitzar una mateixa molècula o ió que no es pot representar amb una sola forma que en reculli l estructura i les propietats. Quina geometria té la molècula de metà? La molècula de metà té una geometria tetraèdrica. Per què l enllaç C Cl és polar i, en canvi, la molècula de tetraclorur de carboni, que té 4 enllaços C Cl és apolar? Perquè la molècula de tetraclorur de carboni és tetraèdrica i els vectors de polaritat dels enllaços C Cl s anul len. Què significa que la molècula de BeH 2 té hibridació sp? Significa que en el beril li, un electró col locat a l orbital atòmic s i un altre a l orbital atòmic p, en formar la molècula de dihidrur de beril li es transformen en orbitals moleculars que són una combinació entre els orbitals s i p, anomenats orbitals híbrids sp. Quina forma té la molècula d acetilè? La molècula d acetilè té una forma lineal. Quins tipus d enllaços intermoleculars té l alcohol etílic? L alcohol etílic forma enllaços d hidrogen, també anomenats pont d hidrogen. Sabríeu anomenar alguns mètodes espectroscòpics per determinar l estructura de les molècules? Alguns mètodes espectroscòpics per determinar l estructura de les molècules són l espectre infraroig (IR), l espectre de ressonància magneticonuclear (RMN), l espectre de masses i l espectre ultraviolat. Qüestions i problemes 1. A partir de l estructura electrònica del Br, sabríeu escriure el diagrama de Lewis del Br 2? Br Br 2. a) Escriu l estructura electrònica del B i la del N. b) Compareu les estructures de Lewis del trifluorur de bor i de l amoníac. a) B (Z = 5): 1s 2 2s 2 2p 1 i N (Z = 7): 1s 2 2s 2 2p 3 b) El trifluorur de bor té una estructura de Lewis amb deficiència d electrons en el bor i no es compleix la regla de l octet. L amoníac té un parell d electrons no enllaçats i la regla de l octet sí que es compleix.

2 3. a) Dibuixeu les estructures de Lewis de les molècules de sulfur d hidrogen, triclorur de bor, etí i pentaclorur de fòsfor. b) Expliqueu, a partir de les estructures de Lewis anteriors, la geometria d aquestes molècules. a)h 2 S H S H BCl 3 :Cl: B :Cl Cl: CH 2 = CH 2 H H C=C H H PCl 5 :Cl :Cl :Cl: P :Cl: Cl: b) La molècula de sulfur d hidrogen (H 2 S) és lineal, la de triclorur de bor (BCl 3 ) és plana triangular, la d etí (CH 2 = CH 2 ) és plana triangular en els dos carbonis i la del pentaclorur de fòsfor (PCl 5 ) té geometria de bipiràmide trigonal. 4. Els nombres atòmics del H, del C, del N i del O són, respectivament, 1, 6, 7 i 8. Escriviu l estructura de Lewis i justifiqueu la geometria de les espècies químiques següents: NO 3, CH 3 CH 3 i NH 4 +. NO 3 : plana triangular N O O CH 3 CH 3 : tetraèdrica en els dos carbonis H H H C C H H H NH + 4 : tetraèdrica H + H N H H

3 5. Escriviu les estructures de Lewis de totes les espècies que participen en la reacció: BF 3 + F BF 4 BF 3 B F F F BF 4 B 6. Escriviu les estructures de Lewis dels àcids següents: a) àcid nítric b) àcid sulfúric c) àcid nitrós d) àcid clòric En tots aquests casos, els àtoms d hidrogen es troben units a àtoms d oxigen. a) àcid nítric + H O N O O: b) àcid sulfúric H O S O H c) àcid nitrós H O N = O d) àcid clòric H O Cl = O 7. Un dels tres àtoms d hidrogen de l àcid fosforós no es troba unit a cap àtom d oxigen. Això fa que només dos dels seus àtoms d hidrogen presentin característiques àcides. Amb aquesta informació, es demana: a) L estructura de Lewis de l àcid fosforós. b) La fórmula dels compostos fosfit de potassi i hidrogenfosfit de potassi. a) H 3 PO 3 H O P O H H b) K 3 PO 3 (fosfit de potassi) i K 2 HPO 3 (hidrogenfosfit de potassi).

4 8. La formació de l ió Mg 2+ (g) a partir d un àtom de Mg (s) requereix energia, i la formació de l ió O 2 (g) a partir de l oxigen molecular O 2(g) també en requereix. Com podem explicar, aleshores, que l òxid de magnesi MgO (g) sigui més estable que els elements que el componen? L energia reticular de l òxid de magnesi, MgO, és superior al requeriment d energia de formació dels ions Mg 2+ i O 2, i, per tant, l estat energètic del MgO és inferior i més estable que el dels àtoms per separat. 9. L energia de l enllaç C = C és més gran que la del C C. En les longituds d enllaç també passa el mateix? En les longituds d enllaç passa a l inrevés, la longitud de l enllaç doble C = C és més petita que la de l enllaç senzill. 10. Escriviu les estructures de Lewis dels anions següents: a) anió nitrat b) anió carbonat c) anió fosfat d) anió cianur Indiqueu la geometria de cada anió segons la teoria de repulsió dels electrons de valència. a) anió nitrat: plana triangular N O O b) anió carbonat: plana triangular 2 C O O c) anió fosfat: tetraèdrica 3 P d) anió cianur: lineal [:C N:] 11. D acord amb la teoria de la repulsió dels electrons de valència, indiqueu la geometria de les molècules següents: BF 3, BeI 2, CCl 4 i NH 3. N hi ha cap de polar? Justifiqueu la resposta. BF 3 : plana triangular. No polar. BeI 2 : lineal. No polar. CCl 4 : tetraèdrica. No polar. NH 3 : piràmide trigonal. Polar. 12. a) Indiqueu les possibles geometries d un compost de fórmula XY 3, si sabem que entre els àtoms X i Y s estableix un enllaç de tipus covalent. b) Assigneu a les molècules de NCl 3 i BCl 3 la geometria que els pertoca i digueu, justificant la resposta, quin d aquests dos compostos pot ser soluble en un dissolvent polar. a)xy 3. Per exemple: BF 3 (plana triangular) o NH 3 (piràmide trigonal). b) NCl 3 : piràmide trigonal. Polar. BCl 3 : plana triangular. No polar. Per tant, el NCl 3, com que és polar, és soluble en dissolvents polars com per exemple l aigua.

5 13. Justifiqueu el motiu pel qual l anió carbonat té geometria plana i l anió clorat és piramidal. L anió carbonat, CO 3 2, té geometria plana triangular i hibridació sp 2. Mentre que l anió clorat, ClO 3, té estructura de piràmide trigonal amb hibridació sp 3 i un parell d electrons no enllaçants. 14. Indiqueu la hibridació dels orbitals atòmics de l àtom central de cadascuna de les espècies químiques següents: a) NCl 3 b)nh 4 + c) CHCl 3 d)co 2 a) NCl 3 : hibridació sp 3 b)nh 4 + : hibridació sp 3 c) CHCl 3 : hibridació sp 3 d)co 2 : hibridació sp 15. a) Justifiqueu el caràcter polar o apolar de les molècules següents: Br 2, HCl, H 2 S i CCl 4. b) Justifiqueu la geometria de les molècules emprant la teoria de repulsió dels electrons de valència o bé la teoria d hibridació d orbitals atòmics. a) Br 2 és una molècula apolar, ja que és un enllaç amb elements iguals i que tenen la mateixa electronegativitat. HCl és una molècula polar, ja que forma un enllaç amb elements diferents, i, per tant, té diferent electronegativitat. H 2 S és una molècula polar, ja que forma dos enllaços en forma angular, i, per tant, els vectors de moment dipolar no s anul len. CCl 4 és una molècula apolar, ja que forma quatre enllaços en forma tetraèdrica, i, per tant, els vectors de moment dipolar s anul len. b) H 2 S: hibridació sp 3, geometria angular CCl 4 : hibridació sp 3, geometria tetraèdrica 16. Quina hibridació presenten els orbitals atòmics del bor en el compost de fórmula BF 3? Dibuixeu-ne la molècula i indiqueu raonadament si és previsible que el trifluorur de bor reaccioni amb l amoníac. En cas que la resposta sigui afirmativa, quina serà la hibridació dels orbitals atòmics del bor i del nitrogen en el nou compost? Els orbitals atòmics del bor en el compost de fórmula BF 3 presenten una hibridació sp 2. La forma que té aquest compost és trigonal plana amb angles de 120º. L orbital 2p buit de l àtom de bor es col loca perpendicular al pla de la molècula (vegeu fig de la pàgina 238 del llibre de text). Com que és un orbital del nivell de valència i no té cap electró, pot participar com a receptor d electrons en la formació de l enllaç covalent amb una altra espècie química que tingui parells d electrons de valència no enllaçants, com ara l amoníac. Per tant, poden reaccionar i formar una estructura de bipiràmide trigonal amb l entrada de dos amoníacs. 17. Expliqueu, d acord amb la teoria d hibridació d orbitals, la geometria de les molècules orgàniques següents: acetilè, etilè, benzè, metanol i metanal. Acetilè: hibridació sp Etilè: hibridació sp 2 Benzè: hibridació sp 2 Metanol: hibridació sp 3 Metanal: hibridació sp 2

6 18. De les molècules següents: clor, àcid clorhídric, metà, aigua i diòxid de carboni. Digueu: a) Quines tenen moment dipolar? b) Indiqueu-ne la geometria. c) Quines són solubles en aigua? Justifiqueu les vostres respostes. a) Tenen moment dipolar l àcid clorhídric i l aigua. En el clor el moment dipolar és 0 i en el metà i diòxid de carboni, els moments dipolars dels enllaços s anul len. b) El metà és tetragonal, l aigua és angular i el diòxid de carboni és lineal. El clor i l àcid clorhídric només tenen un enllaç, i, per tant, no es pot parlar de geometria. c) Només és soluble en aigua l àcid clorhídric perquè és una molècula covalent polar, les altres molècules són molt poc solubles perquè són molècules apolars. 19. De les molècules següents: diclorometà, tetraclorur de carboni, triclorur de bor, cloroform i aigua, justifiqueu-ne la geometria molecular i indiqueu quines molècules presenten moment dipolar. a) Àcid clorhídric i aigua. b)cl 2 (lineal), HCl (lineal), CH 4 (tetraèdrica), CO 2 (lineal). c) Són solubles en aigua el clor, l àcid clorhídric i el diòxid de carboni. 20. Expliqueu, d acord amb la teoria d hibridació d orbitals, els fets següents: a) La molècula de metà és tetraèdrica i no polar. b) La molècula d etilè és plana. c) La molècula d acetilè és lineal. a)ch 4 : hibridació sp 3, tetraèdrica. S anul len tots els vectors de moment dipolar; per tant, és apolar. b)ch 2 = CH 2 : hibridació sp 2, plana. La geometria de cada carboni és plana triangular. c) CH CH: hibridació sp. La geometria és lineal. 21. a) Ordeneu les molècules d età, etilè i acetilè segons la longitud d enllaç carboni-carboni. b) Indiqueu la hibridació dels àtoms de carboni en cada cas. a)ch CH < CH 2 = CH 2 < CH 3 CH 3 b) CH CH: hibridació sp CH 2 = CH 2 : hibridació sp 2 CH 3 CH 3 : hibridació sp Indiqueu raonadament si són certes o falses les afirmacions següents: a) La molècula de PF 3 és apolar. b)a l anió carbonat, la hibridació dels orbitals atòmics del carboni és sp 3. c) La molècula de sulfur d hidrogen és angular. d) El bromur de potassi és soluble en tetraclorur de carboni, dissolvent amb fort caràcter polar. a) Falsa. La molècula de PF 3 és polar, ja que té geometria de piràmide trigonal, i, per tant, els moments dipolars no s anul len. b) Falsa. La hibridació és sp 2. c) Certa. La hibridació és sp 3. d) Falsa. El CCl 4 té hibridació sp 3, és tetraèdrica i apolar; per tant, no solubilitza un compost iònic. 23. Justifiqueu el motiu pel qual existeixen molècules de PCl 5 i, en canvi, no n hi ha de NCl 5. Perquè el fòsfor P té la possibilitat d ocupar orbitals 3d i, en canvi, el nitrogen N, no en té.

7 24. Quin isòmer creus que tindrà un punt d ebullició més alt: el clorur de butil o el dimetilcloroetà? Les forces de Van der Waals són més efectives quan les molècules es poden tocar més. El clorur de butil és pràcticament lineal i, en canvi, el dimetilcloroetà és gairebé esfèric. Per tant, el punt d ebullició del clorur de butil és més alt. 25. L alcohol etílic té un punt d ebullició de 78,3 C i una massa molecular de 46; en canvi, el butà té un punt d ebullició més baix (0 C) i una massa molecular de 58. Com podem explicar aquesta aparent incongruència? Aquesta aparent incongruència és deguda a causa dels enllaços d hidrogen entre les molècules de l alcohol etílic. 26. El pentà, l 1-butanol i el clorur de propil tenen masses moleculars similars, però punts d ebullició diferents. Sabríeu assignar els valors 36 C, 46 C i 118 C al compost que correspongui? El pentà només té un feble enllaç de Van der Waals; per tant, té un punt d ebullició de 36 C. El clorur de propil té un pont d hidrogen H Cl intermolecular i, per tant, el punt d ebullició puja fins a 46 C. L 1-butanol té un enllaç de pont d hidrogen O H més consistent i fa que el punt d ebullició s elevi fins a 118 C. 27. D un compost orgànic tenim les dades següents: bon dissolvent orgànic, T e = 34,6 C i fórmula empírica C 4 H 10 O. Els estudis espectroscòpics ens indiquen que la massa molecular és 74 i que conté un grup èter i radicals etil. De quin compost es tracta? Si sabem la fórmula empírica i la massa molecular podem saber la fórmula molecular: (MM fórmula empírica ) n = MM fórmula molecular 74n = 74 Com que n = 1, la fórmula molecular coincideix amb la fórmula empírica i el compost orgànic que busquem té fórmula C 4 H 10 O. Com que els estudis espectroscòpics indiquen que conté un grup èter i radicals etil, només es pot tractar de l èter etílic: CH 3 CH 2 O CH 2 CH En un compost orgànic de punt d ebullició 7,5 C, es detecta espectroscòpicament la presència de nitrogen i la massa molecular, que és de 31. De quin compost parlem? Com que és un compost orgànic ha de tenir C i H, a més del nitrogen detectat espectroscòpicament. Per tant, si la massa molecular és 31: 12 (C) + 14 (N) + x (H) = 31 x = 5 La fórmula molecular del compost que busquem és CNH 5 que correspon a la metilamina CH 3 NH Tenim un compost desconegut i cal esbrinar quina substància és. Primer, en busquem el punt d ebullició, que és de 44 C, però amb aquesta dada encara no n hi prou. Per aquest motiu, fem una combustió controlada i n obtenim la fórmula empírica, que és C 3 H 5. Ara ja sabem que es tracta d un hidrocarbur, però encara ens fan falta més dades. Finalment fem una anàlisi espectroscòpica que ens indica que el compost és cíclic, que té un doble enllaç, una massa molecular de 82 i que no conté radicals. Sabeu de quin compost es tracta? Si sabem la fórmula empírica C 3 H 5 i la massa molecular podem saber la fórmula molecular: (MM fórmula empírica ) n = MM fórmula molecular 41n = 82 Com que n = 2, la fórmula molecular és C 6 H 10. Com que sabem que és un compost cíclic i que té un doble enllaç, només pot ser el ciclohexè.

8 30. Dos grams d un compost orgànic es cremen per combustió controlada i s obtenen 4 g de diòxid de carboni i 1,64 g d aigua. Espectroscòpicament es detecta la presència d un grup carboxil i determinem que té una massa molecular de 88 amb l espectròmetre de masses. Indiqueu de quin compost es tracta: a) Àcid butanoic b) Acetaldehid c) Acetona (propanona) d) Àcid acètic e) Àcid oxàlic (àcid etandioic) 1 mol CO 2 1 mol C 12 g C 4 g CO 2 = 1,09 g C 44 g CO 2 1 mol CO 2 1 mol C 1 mol H 2 O 2 mol H 1 g H 1,64 g H 2 O = 0,182 g H 18 g H 2 O 1 mol H 2 O 1 mol H 2 g C x H y O z 1,09 g C 0,182 g H = 0,782 g O C: (1,09 g C/12 g C) = 0,0908 H: (0,182 g H/1 g H) = 0,182 O: (0,782 g O/16 g O) = 0,049 Si dividim pel més petit obtenim que la fórmula empírica és C 2 H 4 O. Si sabem la fórmula empírica C 2 H 4 O i la massa molecular podem saber la fórmula molecular: (MM fórmula empírica ) n = MM fórmula molecular 44n = 88 Com que n = 2, la fórmula molecular és C 4 H 8 O 2. Les dades espectroscòpiques ens informen de la presència d un grup carboxil; per tant, es tracta del CH 3 CH 2 CH 2 COOH (àcid butanoic). La resposta correcta és la a).