5 Uniones entre átomos

Transcripción

1 EJERCICIOS PROPUESTOS 5.1 Cuando dos átomos de hidrógeno se aproximan entre sí, se observa que la energía del sistema disminuye. Qué consecuencia tiene esto respecto a la formación de un enlace entre ambos? Los sistemas físicos evolucionan hacia estados de mínima energía potencial que se corresponden con una estabilidad máxima. En consecuencia, si la energía disminuye a medida que se acercan los dos átomos de hidrógeno, el sistema adquiere progresivamente más estabilidad, hasta llegar a un mínimo de energía que se corresponde con la situación de enlace entre ambos. 5.2 Qué reajuste electrónico deberán experimentar los siguientes átomos para que se cumpla la regla del octeto? El átomo de sodio debe perder el único electrón que mantiene en su tercer nivel, con lo cual se formará un ion Na, que cumple la regla del octeto: 2 8. Al átomo de azufre, por el contrario, le resulta más fácil ganar dos electrones y formar el ion S 2 para adquirir la configuración de octeto: Sodio Na Azufre S Una agrupación estable de átomos está formada por millones de átomos iguales ordenados en el espacio. Indica si esta agrupación es una molécula o un cristal y si corresponde a un elemento o a un compuesto. Las redes cristalinas o cristales están formadas por un número indefinido de átomos, moléculas o iones (generalmente muy grande dependiendo del tamaño del cristal) que se disponen formando una estructura tridimensional regular. Por tanto, la agrupación es un cristal y además corresponde a un elemento, ya que todos sus átomos son iguales. 5.4 Una agrupación estable de átomos está formada por tres átomos, dos de oxígeno y uno de azufre. Indica si es una molécula o un cristal y si corresponde a un elemento o a un compuesto. Las moléculas están formadas por un número definido de átomos, generalmente pequeño. Se denominan diatómicas si contienen dos átomos, triatómicas si contienen tres, etc. Así pues, una agrupación formada por dos átomos de oxígeno y uno de azufre constituye una molécula (SO 2 ). La molécula corresponde a un compuesto, ya que está formada por átomos diferentes. 5.5 Aceptando que solo son iónicos los compuestos formados por metal y no metal, cuáles de los siguientes compuestos no lo son? KCl, CO 2, CCl 4, NaI, KBr No son compuestos iónicos CO 2 y CCl 4, porque están formados por dos no metales. 5.6 a) Conduce la corriente eléctrica un cristal de cloruro sódico? b) Por qué un compuesto iónico es conductor cuando está fundido o disuelto? a) En estado sólido, un cristal de cloruro de sodio no conduce la corriente, ya que los iones permanecen en posiciones fijas en la red. b) Sin embargo, cuando se funde el cristal o se disuelve, los iones dejan de estar atrapados en la red y adquieren movilidad, lo que los permite conducir la corriente. 5.7 El estado de agregación de una sustancia a temperatura ambiente depende del tipo de enlace entre sus átomos. Por qué las sustancias moleculares son gases o líquidos a temperatura ambiente? Por qué el diamante es sólido?

2 Ello se debe a que los átomos que constituyen la molécula están muy fuertemente unidos, pero las fuerzas que unen unas moléculas con otras (fuerzas intermoleculares) son, en general, muy débiles, por lo que no consiguen reunir un número elevado de moléculas en una estructura sólida. En suma, usando expresiones del modelo cinético, las fuerzas de dispersión son mayores que las de atracción. El aire, por ejemplo, es una mezcla de ese tipo de sustancias, mayoritariamente moléculas covalentes diatómicas (N 2, O 2 ), cuyas fuerzas intermoleculares son muy débiles. El diamante es sólido porque su estructura corresponde a una red cristalina covalente, extremadamente estable, que necesita una temperatura muy alta para fundirse. 5.8 Clasifica las siguientes sustancias según tengan enlace iónico o covalente: SiO 2, KCl, Na 2 S, Br 2. Presentan enlace iónico: KCl, Na 2 S. Presentan enlace covalente: SiO 2, Br Representa, mediante diagramas de Lewis, la molécula de cloro (Cl 2 ) y la de cloruro de hidrógeno (HCl). Cl Cl Cl Cl Cl 2 H Cl H Cl HCl 5.10 Si calientas un extremo de una barra de cobre a la llama mientras la sujetas por el otro extremo: a) Sentirás calor en tu mano al cabo de un cierto tiempo? b) Ocurriría lo mismo si la barra fuera de una sustancia iónica? a) El cobre es un metal y, por tanto, un buen conductor térmico. Por eso, al poco tiempo de iniciar el calentamiento por un extremo de la barra, el calor se siente en el otro. b) No ocurriría lo mismo con una sustancia iónica, ya que esta no es buena conductora térmica en estado sólido Tanto las redes cristalinas iónicas como las redes cristalinas metálicas poseen iones en su estructura. a) Qué diferencias hay entre ambos tipos de redes? b) Diseña un experimento que permita distinguir entre cristales de cada clase. a) La red iónica tiene iones de distinto signo (aniones y cationes). La red metálica está formada por un solo tipo de átomos, los cuales ceden sus electrones a la red. Los correspondientes iones positivos ocupan los nudos de la red. Es decir, todos sus iones son aniones e iguales. b) La propiedad de la conductividad, por ejemplo, permite diferenciar ambos tipos de redes: la red metálica es conductora, y la red iónica, no. Para comprobarlo, se coloca una muestra de cada sólido en sendas cápsulas de porcelana y se introducen en ellas electrodos unidos a una pila, tal como se indica en el dibujo. Por último, se cierra el circuito para comprobar si existe paso de corriente en cada caso. Sólido metálico Sólido iónico 5.12 Calcula la masa molecular de la sacarosa, cuya fórmula es C 12 H 22 O 11. Determina la masa en kilogramos de una molécula de sacarosa. Masa molecular: 12 12,0 22 1, ,0 342,0 u Un mol (6, moléculas) tiene una masa de 342 g. Por tanto, una sola molécula tiene una masa de: 0,342 (kg/mol) 6, (moléculas/mol) 5, kg/molécula

3 5.13 Halla la composición centesimal del amoníaco, NH 3. Masa molar: 14,0 3 1,0 17,0 g/mol % de nitrógeno 1 4, ,4 % de N. 17, 0 3,0 % de hidrógeno ,6 % de H. 1 7, Determina la cantidad de plata que hay en 25 g de cloruro de plata, AgCl. Masa molar: 107,9 35,5 143,4 g/mol Podemos establecer la siguiente proporción: 107,9 (g de Ag) x ( g de Ag) 1 43,4 (g de AgCI) 25 ( g de AgCI) De donde se obtiene que: x 18,8 g de plata Un mol de cierto compuesto contiene 112 g. Cuál es la masa de una molécula en unidades de masa? Cuántas moléculas hacen falta para completar 200 g? La masa de una molécula se expresa con el mismo número, es decir, 112 u. Para completar 200 g tenemos en cuenta que 6, moléculas son 112 g. Por tanto: 1 12 ( g) 6, ( g) x De donde resulta que hacen falta 1, moléculas para completar 200 g Se puede considerar el átomo de aluminio como una esfera de 0,14 nm de radio. Qué longitud tendría 1 mol de átomos de aluminio puestos en fila uno tras otro? Recuerda que 1 nm 10 9 m. Cada átomo de aluminio tendría un diámetro de 0,28 nm. Por tanto, la longitud de 1 mol de átomos sería: 6, , , m, es decir: millones de km

4 CIENCIA APLICADA 5.17 Se ha preparado una disolución de cloruro de potasio (KCl) disolviendo 5 g en agua destilada y completando hasta obtener 500 ml de disolución. Halla su concentración molar. La masa molar del cloruro de potasio es de 74,6. La expresión de la concentración molar indica: m 5 c 0,134 mol/l M V 74,6 0, Se dispone en el laboratorio de ácido nítrico de concentración 5 mol/l. Cuántos gramos de ácido están contenidos en 250 ml de disolución? n n Como c 5 mol/l 0,25 V (L) Entonces, el número de moles será: 0,25 (L) 5 (mol/l) 1,25 mol Si cada mol de HNO 3 tiene una masa de g, la masa de ácido será: 1,25 (mol) 63 (g/mol) 78,75 g

5 EJERCICIOS DE APLICACIÓN 5.19 Indica cuál de estas afirmaciones es verdadera. a) Los nudos de una red cristalina están ocupados siempre por iones. b) Las redes cristalinas metálicas son las que presentan más dureza. c) Las redes cristalinas covalentes son las únicas que no conducen la electricidad. d) Las redes cristalinas covalentes son muy poco solubles en agua. La afirmación verdadera es la d). La a) es falsa porque los nudos de una red cristalina pueden ser también átomos, como en los cristales covalentes. La b) es falsa porque los cristales más duros son los covalentes. La c) es falsa porque tampoco conducen la electricidad las redes iónicas, aunque las sustancias iónicas sí sean conductoras en disolución Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. a) Cuando se forma Ca 2, el calcio pierde dos electrones y cumple la regla del octeto. c) Cuando dos átomos de hidrógeno se unen para formar H 2, la energía potencial del sistema aumenta. b) En el ion Cl 2-, el cloro no cumple la regla del octeto. d) Se llama enlace químico a la unión de dos o más átomos para formar una agrupación estable. Son verdaderas a), b) y d). En efecto, la estructura electrónica por niveles del calcio es Si pierde dos electrones, cumplirá la regla del octeto. Igualmente, la estructura del cloro es Solo cumplirá la regla del octeto el ion Cl. La opción c) es falsa, ya que la formación de un enlace tiene lugar precisamente porque la energía potencial del sistema disminuye hasta alcanzar un mínimo que se corresponde con su máxima estabilidad El número atómico del sodio es 11. Describe el tipo de enlace que formará con el oxígeno. Qué propiedades pueden esperarse para el compuesto resultante? La estructura de cada átomo es: Na O El sodio cumple la regla del octeto desprendiéndose de su electrón más externo. El oxígeno, sin embargo, necesita captar dos electrones. Harán falta dos átomos de sodio que aporten cada uno un electrón. Así: Na + O 2 Na + Se forman los iones: Na, O 2 y Na. Ello da lugar a un enlace iónico cuyas propiedades previsibles son: Sólido a temperatura ambiente, punto de fusión elevado. Duro (difícil de rayar). Soluble en agua. No conduce la electricidad en estado sólido porque los iones están fijos en la estructura cristalina, pero sí cuando está fundido o disuelto Representa los diagramas de Lewis de las moléculas: CCl 4, H 2 S y CO 2. Cl Cl C Cl Cl Cl Cl C Cl CCl 4 Cl H S H H S H H 2 S O C O O C O CO 2

6 5.23 Con ayuda de la tabla periódica, decide si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Razona la respuesta. a) La masa molecular del cloruro de calcio, CaCl 2, es 111 u. b) Una molécula de agua tiene una masa de 18 g. c) La masa de un átomo de cobre es de 1, g. d) En 111 g de cloruro de calcio, CaCl 2, hay el mismo número de moléculas que en 18 g de agua, H 2 O. a) Es verdadera, porque 40 35, u. b) Es falsa, ya que 18 g es la masa de 1 mol de agua, no de una molécula (que serían 18 u). c) Es verdadera, porque su masa es de 63,5 u, es decir, 63,5 1, , g. d) Es verdadera, pues ambas cantidades constituyen 1 mol Ordena de menor a mayor las masas de las siguientes muestras. a) 8 moles de ozono (O 3 ). b) 0,5 moles de sacarosa (C 12 H 22 O 11 ). c) 60 moles de amoníaco (NH 3 ). d) 4 m 3 de aire de densidad 1,3 g/l. a) 8 (mol) (16 3) (g/mol) 384 g. b) 0,5 (mol) ( ) (g/mol) 171 g. c) 60 (mol) (14 3 1) (g/mol) g. d) (L) 1,3 (g/l) g. Ordenado quedaría: (b) (a) (c) (d) 5.25 Halla la composición centesimal de las siguientes sales de metales preciosos. Cloruro de plata (AgCl), sulfuro de oro (III) (Au 2 S 3 ), bromuro de paladio (II) (PdBr 2 ). Cloruro de plata: Masa molecular: 143,32 u % de Ag 1 07, ,27 % 143, 32 35,45 % de CI ,73 % 1 43,32 Sulfuro de oro (III): Masa molecular: 490,15 u % de Au 3 93, ,37 % 490, 15 96,21 % de S ,63 % 4 90,15 Bromuro de paladio (II): Masa molecular: 266,22 u % de Pd 1 06, ,97 % 266, , 8 %de Br ,03 % 2 66, Ordena de menor a mayor las masas moleculares de estos óxidos: SiO 2, Al 2 O 3, CaO, Cl 2 O 3 y CdO. CaO: 56 u SiO 2 : 60 u Al 2 O 3 : 102 u Cl 2 O 3 : 119 u CdO: 128 u

7 PROBLEMAS DE SÍNTESIS 5.27 Dadas las sustancias N 2, CO 2, CaO, MgCl 2 y SiCl 4 : a) Clasifícalas según su tipo de enlace. b) A temperatura ambiente dos de ellas son gases, otras dos son sólidos y la otra es un líquido volátil. Identifícalas. a) Presentan enlace iónico: CaO y MgCl 2. Presentan enlace covalente: N 2, CO 2 y SiCl 4. b) De estas sustancias covalentes, el N 2 y el CO 2 son gases a temperatura ambiente. Los compuestos iónicos son sólidos. Por eliminación, se deduce que el SiCl 4 es un líquido volátil El siguiente modelo molecular representa dos moléculas: ácido nítrico y etanol. a) Indica los átomos que forman cada molécula y calcula su masa molecular. H b) Halla la composición centesimal de cada una. O a) La molécula de ácido nítrico (HNO 3 ) está formada por 1 átomo de hidrógeno, 1 de nitrógeno y 3 de oxígeno. Su masa molecular es: 1,01 14,01 16, ,02 u. Ácido nítrico Etanol N C La molécula de etanol (C 2 H 6 O) está formada por 2 átomos de carbono, 6 de hidrógeno y 1 de oxígeno. Su masa molecular es: 12, ,01 16,00 46,08 u b) Composición centesimal del HNO 3 : Composición centesimal del C 2 H 6 O: 1,01 %de H 100 1,60 % % de C 2 4, ,13 % 6 3,02 46, 08 %de N 1 4, 01 6, ,23 % % de H ,15 % 63, ,08 %de O 4 8, ,17 % % de O 1 6, ,72 % 63, 02 46, Completa en tu cuaderno los siguientes cálculos. La masa molecular del ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) es de 98 g/mol; por tanto, 200g de ese ácido son 2,04 moles. A partir de esta cantidad de ácido se pueden obtener 2,04 moles de átomos de azufre (S), 4,08 moles de átomos de hidrógeno (H) y 4, átomos de oxígeno (O) Dados 1,5 moles de carbonato de potasio (K 2 CO 3 ), halla: a) Los gramos correspondientes de carbonato de potasio. b) Los moles de potasio que se pueden obtener. c) Los gramos de carbono que se pueden obtener. d) Los átomos de oxígeno que contienen. Toma los datos necesarios del SP. Masa molar del carbonato de potasio: 2 39,10 12,01 16, ,21 g a) En 1,5 mol habrá: 1,5 (mol) 138,21 (g/mol) 207,32 g. b) Se pueden obtener: 2 1,5 3 mol de potasio.

8 c) Se pueden obtener 1,5 mol de carbono, equivalentes a 12,01 (g/mol) 1,5 (mol) 18,02 g. d) Se pueden obtener 1,5 3 4,5 mol de oxígeno, equivalentes a 4,5 6, , átomos de oxígeno Durante siglos, el cinabrio (HgS) extraído en Almadén (Ciudad Real) ha suministrado la mayor parte del mercurio consumido en el mundo. a) Determina la composición en porcentaje del cinabrio. b) Cuánto mercurio se puede obtener a partir de una tonelada de cinabrio? c) Qué problemas ambientales genera el mercurio? Qué medidas ha planteado al respecto la Unión Europea? Investiga estas cuestiones en la siguiente página web: europa.eu/scadplus/leg/es/lvb/l28155.htm. a) Composición en porcentaje del HgS: Masa molar 200,59 32,07 232,66 g % de Hg 2 00, ,22% 232, 66 32,07 % de S ,78 % 2 32,66 b) A partir de kg de cinabrio se podrá obtener 8 6, ,2 kg de mercurio. 100 c) La ingestión o inhalación de mercurio puede provocar daños en el sistema nervioso e incluso la muerte de los organismos expuestos a él. Debido a esto, la Unión Europea adoptó en 2005 una serie de medidas: reducir las emisiones de mercurio, restringir la oferta y la demanda de esta sustancia, gestionar las cantidades de mercurio actualmente existentes (acumuladas en la naturaleza o presentes en los productos), prevenir la exposición de las poblaciones, mejorar la comprensión del problema y sus soluciones, y promover iniciativas internacionales en este ámbito. Según esta Estrategia Comunitaria del Mercurio, en 2011 quedará prohibida la producción y exportación de este metal en la Unión Europea Teniendo en cuenta el tipo de enlace que forma cada sustancia, completa en tu cuaderno la siguiente tabla poniendo SÍ o NO en las casillas. Sustancia Sólido a temperatura Soluble en agua Conductor en estado ambiente sólido Hg NO NO SÍ KCl SÍ SÍ NO SiO2 SÍ NO NO O2 NO SÍ (poco) NO Las respuestas se basan en que los átomos de mercurio están unidos por un enlace metálico (excepcionalmente, es líquido), el cloruro de calcio es un compuesto iónico; la sílice, un cristal covalente, y el oxígeno molecular, una sustancia molecular covalente.

9 PARA PENSAR MÁS 5.33 Una disolución acuosa de ácido acético glacial tiene una concentración molar de 17 mol/l. a) Calcula la masa molecular del ácido, sabiendo que 0,5 L de disolución contienen 510 g de soluto. b) Cuál será su nueva concentración molar si a 1 L de disolución se le añaden 250 cm 3 de agua? m a) A partir de la expresión de la concentración molar: c M V luego la masa molecular es de 60 u M 60 g/mol M 0,5 b) En un litro de disolución habrá 17 moles. El volumen de la nueva disolución será de 1,25 L. Por tanto: Número de moles de soluto (n) 17 c 13,6 mol/l Volumen de disolución en litros (V) 1, El gráfico corresponde a la red cristalina de la blenda (ZnS). a) La fórmula ZnS, es empírica o molecular? b) Describe el enlace que tiene lugar. c) Halla la composición centesimal de la blenda. d) Cuántos kilogramos de cinc (Zn) se pueden obtener a partir de 500 kg de blenda? S 2 Zn 2+ e) Cuántos átomos de azufre habrá en 30 g de blenda? a) Se trata de la fórmula de una red cristalina, en la cual se indica la proporción en que se combinan Zn y S. Es, por tanto, una fórmula empírica. b) Se trata de un enlace iónico, que puede describirse por etapas: 1. a ) Formación de los iones: Zn 2e Zn 2 S 2e S 2 2. a ) Atracción eléctrica entre los iones Zn 2 y S a ) Formación de la red cristalina, tal como aparece en el dibujo. c) Masa molar: 65,41 32,07 97,48 g d) 67,1 % de 500 kg 335,5 kg de cinc. % de Zn 6 5, ,10 % 97, 48 % de S 3 2, ,90 % 97, 48 e) Aplicamos la composición porcentual de azufre: 32,9 % de 30 g 9,87 g de azufre. 9, 87 ( g) Lo pasamos a moles de S: 0,308 mol. 32, 07 (g/ mol) Y multiplicando por el número de Avogadro, obtenemos: 0,308 6, , átomos de azufre Un acero inoxidable muy resistente a la corrosión es el llamado 18/8, porque tiene un 18% de níquel y un 8% de cromo. a) Qué tipo de enlace presentará? Predice algunas de las propiedades esperables. b) Qué cantidad de cromo se podría obtener a partir de una hoja de acero de 35 g? c) Cuántos átomos de níquel se pueden obtener a partir de 1 kg de acero 18/8?

10 a) Presenta enlace metálico, cuyas propiedades son: sólido a temperatura ambiente; buen conductor del calor y la electricidad, debido a la existencia de electrones libres que pueden vibrar y moverse en la red; maleable (se puede convertir en láminas) y dúctil (se puede transformar en hilos), ya que la deformación no altera la estructura de la red; brillo metálico. b) 8 % de 35 g 2,8 g de cromo. 180 ( g) c) 18 % de g 180 g de níquel. En moles: 3,07 mol 58, 7 (g/ mol) Multiplicamos por el número de Avogadro: 3,07 (mol) 6, (átomos/mol) 1, átomos de níquel Completa en tu cuaderno este esquema a partir de las palabras: moléculas, redes cristalinas, iónico, covalente, metálico, cloruro de potasio (KCl), óxido nítrico (NO), cobre (Cu), cuarzo (SiO 2 ). AGRUPACIONES DE ÁTOMOS pueden ser REDES CRISTALINAS MOLÉCULAS con enlace con enlace IÓNICO METÁLICO COVALENTE COVALENTE ejemplo ejemplo ejemplo ejemplo KCI Cu SiO 2 NO 5.37 Se tienen las siguientes disoluciones acuosas de ácido clorhídrico (HCl). 1) 500 ml de concentración 60 g/l. 2) 250 ml de concentración molar 2 mol/l. a) Qué volumen de la segunda disolución se debe tomar para preparar 100 ml de disolución de concentración 0,1 mol/l? b) Cuántos átomos de cloro habrá en 40 ml de la primera disolución? a) El producto n c V nos da el número de moles, que debe ser el mismo en la disolución 1) y en la nueva disolución. Por tanto: c 1 V 1 c 2 V ,1 2 V De donde resulta: V 5 ml b) 60 (g/l) 0,040 (L) 2,4 g de HCl Esta cantidad se expresa en moles (usando la masa molar, 36,46 g/mol) y se multiplica por el número de Avogadro: 2,4 (g) 6, (atomos/mol) 3, átomos de CI 36,4 6 (g/mol) 5.38 El gráfico representa el diagrama de Lewis de dos elementos. a) Cómo interaccionarán los átomos A y B para cumplir la regla del octeto? A qué elementos químicos pueden referirse? b) Describe el tipo de enlace que formarán A y B, así como las propiedades del compuesto. c) Describe el tipo de enlace que formará B con B, así como sus propiedades. A B a) El átomo A puede perder sus dos electrones exteriores para dejar completa la capa inmediatamente interior. El átomo B debe captar un electrón para completar su capa. Por tanto, es necesaria la interacción de dos átomos B por cada átomo A para mantener la neutralidad eléctrica.

11 A puede referirse a cualquier metal del segundo grupo, por ejemplo, Mg. B puede referirse a cualquier no metal del grupo 17, por ejemplo, Cl. b) Formarán un enlace iónico, que puede describirse por etapas: 1. a ) Formación de los iones: Mg 2e Mg 2 2 [Cl 1e Cl ] 2. a ) Atracción eléctrica entre los iones Cl, Mg 2 y Cl. 3. a ) Formación de una red cristalina de fórmula empírica: MgCl 2. Las propiedades previsibles son las de los compuestos iónicos: son sólidos a temperatura ambiente y tienen puntos de fusión elevados; son duros, es decir, difíciles de rayar; son solubles en agua porque en ella disminuye la fuerza eléctrica entre los iones y la red se desmorona más fácilmente; no conducen la electricidad en estado sólido porque los iones están fijos en la estructura cristalina, pero sí cuando están fundidos o disueltos. c) B con B formará un enlace covalente. Si B fuera, por ejemplo, el cloro (Cl): B B Las propiedades son las de los compuestos covalentes moleculares, es decir: los átomos dentro de la molécula están fuertemente unidos; las fuerzas de unión de unas moléculas con otras son muy débiles; debido a ello, la mayoría son gases, o líquidos volátiles a temperatura ambiente; no conducen el calor ni la electricidad; son poco solubles en agua, salvo excepciones.

12 TRABAJO EN EL LABORATORIO 1 Deduce el tipo de enlace que se da en cada sustancia a partir de las propiedades comprobadas. Sal común: iónico. Arena: covalente (cristalino). Parafina: covalente (molecular). Plomo: metálico. 2 Investiga cómo se podría fundir arena o sal. Es necesario alcanzar unos 900 C para fundir sal y unos C para arena (sílice). Estas temperaturas se pueden alcanzar en hornos eléctricos o mediante reacciones exotérmicas con sustancias denominadas fundentes (por ejemplo, carbonato de sodio).