1 Estructura de la materia

Advertisement
Documentos relacionados
Advertisement
Transcripción:

Estructura de la materia EJERCICIS PRPUESTS. Son los electrones partículas elementales? Por qué? Sí, porque no tienen estructura interna, es decir, no están formados por otras partículas.. Explica cómo llegó Millikan a calcular la carga exacta del electrón. Para ello puedes informarte en el vídeo que aparece en la dirección de internet: www.e-sm.net/qbach. Millikan pulverizó aceite en el interior de un campo eléctrico. Manipuló las placas hasta que la gota de aceite quedaba en suspensión, cumpliéndose: d F c P F e qe m g q V d P m g q m g d V Repitió el experimento con distintas gotas y comprobó que todas ellas eran múltiplos de una cantidad mínima que era la carga del electrón (q e,6-9 C).. El isótopo yodo- es ampliamente utilizado en medicina. Sabiendo que su número atómico es 5, representa un átomo de dicho isótopo e indica razonadamente el número de nucleones que lo forman. La representación del átomo es 5 I. El número de protones es Z 5; el número de nucleones es A ; el número de neutrones es n A Z 78.. Un átomo de calcio posee electrones y neutrones. a) Simboliza un átomo de dicho elemento. b) Propón un posible isótopo del mismo. a) En este caso, al ser un átomo neutro, Z y A +. Por tanto, la representación es Ca. b) 9 Debe tener distinto número de neutrones, por ejemplo, Ca..5 Discute la veracidad de la siguiente afirmación: El número de electrones emitidos por efecto fotoeléctrico es independiente de la intensidad de la radiación incidente. Falso. Si la energía de la radiación incidente es mayor que un valor umbral, existe emisión de electrones y su número depende de la intensidad de la radiación incidente..6 Si la energía necesaria para extraer un electrón al sodio es de,7-9 J, calcula la frecuencia mínima que debe tener un fotón para que produzca el efecto fotoeléctrico. Con qué velocidad saldrá el electrón si el fotón posee una energía de 8, -9 J? La frecuencia mínima es: E,7 (J) ν 5,6 z h 6,6 (Js) Para calcular la velocidad del electrón aplicamos la ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico: E W E E c c extracción E W m v extracción + E c v 8, E m c 9 (J),7, 9,9 9 9 (J) (kg) 9 (J), 9,7 9 5 (J) ms 97 km s

.7 Conforme al modelo atómico de Bohr, qué relación existe entre los radios de la tercera y primera órbitas? Como el radio de las órbitas cumple la expresión: r a n, para la tercera órbita n r 9a para la primera órbita n r a Por tanto, el radio de la tercera órbita es nueve veces el radio de la primera. r r 9.8 Las clorofilas a y b de las plantas absorben sobre todo luz de las zonas roja y azul y reflejan la luz verde, lo que explica que la mayoría de las plantas sean de color verde. Cuál es la energía y frecuencia de una radiación de longitud de onda 5 nm absorbida por la clorofila a? La energía de esta radiación es: hc E λ 6,6 (Js), 5 9 (m) 8 (m s ),68 9 J Le corresponde una frecuencia: 8 c, (m s ) ν 7,6 9 λ 5 (m) z.9 Calcula la longitud de la onda de De Broglie asociada a una persona de 7 kg que se desplaza en un coche a km h -. Compárala con la asociada a un electrón que se mueve a la misma velocidad. Aplicando la ecuación de Louis de Broglie, tenemos: λ h 7 6,6 (J s) m v 7 (kg) (m s 6,8 ) La longitud de onda asociada a la persona es tan pequeña que es inapreciable; sin embargo, para el electrón: h 6,6 (J s) 5 λ e,8 m me v 9,9 (kg) (m s ) 6 Es decir, la onda asociada al electrón en movimiento sí es significativa. m. La naturaleza ondulatoria del electrón se pone de manifiesto en los microscopios electrónicos. A qué es debido el mayor poder de resolución de estos frente a los microscopios ópticos convencionales? La óptica establece que no se pueden obtener imágenes de objetos cuyo tamaño sea menor a la mitad de la longitud de onda de la onda empleada para su observación. Como la longitud de onda del electrón es muy inferior a la del fotón, se podrán apreciar objetos mucho menores. El microscopio electrónico permite alcanzar hasta 5 aumentos frente a los de los mejores microscopios ópticos.. Un electrón de un átomo de fósforo está situado en un orbital caracterizado por los números cuánticos: {n, l, m l } A qué subnivel energético pertenece? Como n y l, el electrón pertenece al subnivel d.. Cuántos orbitales de tipo f existen en un mismo subnivel? Razona tu respuesta. Para un orbital de tipo f, l. Como el número de orbitales en un subnivel es igual a (l + ), habrá + 7 orbitales. 5

. Indica si son verdaderas o falsas las afirmaciones. a) El tercer nivel energético posee orbitales tipo f. b) Un electrón que se encuentra en un orbital del subnivel p puede estar caracterizado por los números cuánticos (,,, /). c) Todos los orbitales de un mismo valor de n poseen la misma energía. a) Falso. Un orbital de tipo f se caracteriza por tener l. En el tercer nivel de energía, n, por tanto, los posibles valores que puede tomar l son, y (desde hasta n ) y se corresponden con orbitales de tipo s, p y d, respectivamente. b) Verdadero. Teniendo en cuenta que para n e l (subnivel p), los posibles valores de los números cuánticos m l y m s son: m l,,, y m s + /, /. c) Falso. Solo es verdadero si se trata del átomo de hidrógeno.. Razona la veracidad de la siguiente afirmación: Para cualquier átomo, un orbital s posee mayor energía que uno d. Falso. Si se observa la gráfica (energía de orbitales y número atómico) de la página 9, se advierte que para ciertos valores de Z existe inversión en los niveles energéticos de los orbitales s y d..5 rdena razonadamente los siguientes orbitales por energías decrecientes: p, s, d, f, p, 5s. Para átomos polielectrónicos la energía de los orbitales aumenta con el valor de n + l. Para aquellos con el mismo valor de n + l, la energía aumenta con el valor de n. p n, l n + l f n, l n + l 7 s n, l n + l p n, l n + l 5 d n, l n + l 5 5s n 5, l n + l 5 El orden de los orbitales por energías decrecientes es: f > 5s > p > d > p > s.6 Un isótopo del tecnecio que posee un número másico A 99 se emplea como contraste en la realización de gammagrafías óseas. Su número atómico es Z. a) Representa un átomo de dicho isótopo. b) Establece su configuración electrónica. a) 99 La representación del átomo es Tc. b) La configuración electrónica del Tc (Z ) es: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5, o bién, [Kr] 5s d 5..7 Basándote en el principio de exclusión de Pauli, razona el número máximo de electrones que puede albergar un orbital de tipo f. El principio de exclusión de Pauli establece que en un átomo no puede haber dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales. Por tanto, un orbital de tipo f (o de cualquier otro tipo) puede albergar un máximo de dos electrones con espines antiparalelos..8 Escribe la configuración electrónica de los átomos de cobre, molibdeno y manganeso siguiendo las reglas habituales. Comprueba si son correctas empleando la siguiente dirección de internet: www.e-sm.net/qbach. En caso de que exista discrepancia entre la configuración formada y la real, intenta explicarla. Siguiendo las reglas habituales, las configuraciones electrónicas de estos elementos serían: Cu (Z 9): s s p 6 s p 6 s d 9. Mo (Z ): s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d. Mn (Z 5): s s p 6 s p 6 s d 5. Sus configuraciones reales son las siguientes: Cu (Z 9): s s p 6 s p 6 s d. Mo (Z ): s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5. A partir del escandio (Z ), los orbitales d se estabilizan frente a los s. Tener los subniveles llenos o semillenos, como ocurre en el Cu (d ) y en el Mo (d 5 ), proporciona una situación más estable, por lo que sus configuraciones reales no coinciden con las propuestas. Por otro lado, el Mn tiene el subnivel d semilleno, es decir, se encuentra en una situación estable que coincide con la real. 6

.9 Antiguamente, el mercurio, que es el único metal líquido a temperatura ambiente, se utilizaba para separar el oro y la plata de una mezcla de minerales extraídos de las minas, ya que forma una amalgama con ellos, que posteriormente se puede deshacer calentando. Sabiendo que sus números atómicos son: Z(g) 8, Z(Au) 79 y Z(Ag) 7, establece sus configuraciones electrónicas. [g]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d. [Au]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d. [Ag]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d.. Se podría determinar si una sustancia es diamagnética o paramagnética con una balanza magnética como la del margen? Explica tu respuesta. Si utilizamos una balanza como la de la página, la sustancia será: Paramagnética, si es atraída por el imán y observamos una elevación del peso respecto al obtenido sin el imán. Diamagnética, si no es atraída por el imán (o si, incluso, es débilmente repelida por el mismo) y observamos un descenso del peso.. Justifica, basándote en los diagramas orbitales, cuáles de las siguientes sustancias son diamagnéticas: neón (Z ), cobre (Z 9), ion fluoruro (Z F 9). Las dos primeras sustancias son neutras, por lo que el número de electrones es igual al de protones. Sus configuraciones y los diagramas orbitales de su capa más externa son los siguientes: [Ne]: s s p 6 s p Es una sustancia diamagnética porque tiene todos sus electrones apareados. [Cu]: s s p 6 s p 6 s d s No es una sustancia diamagnética, sino paramagnética, porque tiene un electrón desapareado. El ion fluoruro tiene electrones (uno más que el número de protones): [F - ]: s s p 6 s p Es una sustancia diamagnética, porque tiene sus orbitales llenos con todos los electrones apareados. 7

EJERCICIS Y PRBLEMAS LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS. Completa la siguiente tabla justificando cada valor. Especie química Z A N.º de electrones N.º de protones N.º de neutrones K 9 56 6Fe + Nb 9 I 5 7 Zn + 8 5 Dado que: Número atómico (Z) n.º de protones Número másico (A) n.º de protones (Z) + n.º de neutrones (N) En un átomo neutro: n.º de electrones n.º de protones En un ion: n.º de electrones n.º de protones carga del ion Se obtiene: Especie química Z A N.º de electrones N.º de protones N.º de neutrones K 9 9 9 9 56 + 6Fe 6 56 6 Nb 9 5 I 5 7 5 5 7 Zn + 65 8 5. Los elementos situados en tubos de vacío y sometidos a elevadas ddp emiten electrones (rayos catódicos). Los restos positivos de estos elementos forman los rayos anódicos o canales, descubiertos por Goldstein. Señala cuál es la afirmación verdadera. a) Están formados por protones, lo que permitió el descubrimiento de dicha partícula subatómica. b) La composición de los rayos anódicos depende del gas encerrado en el tubo de descarga. c) Están formados por positrones ( electrones con carga positiva ). d) La carga eléctrica de los rayos catódicos y de los anódicos es idéntica. La afirmación correcta es la b). Los rayos anódicos están formados por los restos positivos del gas encerrado en el tubo, generados al ionizarlo; puede ser solo un protón ( + + ) u otros cationes (como, e ). 8

. El elemento hidrógeno presenta tres isótopos estables: el protio (A ), el deuterio (A ) y el tritio (A ). Discute si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. a) Todos los isótopos del hidrógeno poseen el mismo número atómico. b) El hidrógeno es el elemento más ligero de los que se conocen. Todos sus átomos poseen un núcleo formado solamente por un nucleón. c) El agua formada por deuterio se denomina agua deuterada o pesada y se emplea como moderador en los reactores nucleares de fisión. d) El tritio se encuentra abundantemente en la superficie solar y es el combustible de algunas de las reacciones de fusión que tienen lugar en él. Puedes consultar las direcciones de internet: www.e-sm.net/qbach6 y www.e-sm.net/qbach7. a) Verdadero. Todos los átomos de un elemento poseen el mismo número atómico. b) Falso. Aunque es cierto que es el elemento más ligero, afirmación es falsa porque el deuterio está formado por dos nucleones ( protón y neutrón) y el tritio por tres nucleones ( protón y neutrones). c) Verdadero. Se denomina agua deuterada o agua pesada porque está formada por dos átomos de deuterio (más pesado que el hidrógeno) y uno de oxígeno. Se utiliza como moderador en los reactores nucleares porque disminuye la velocidad de los neutrones liberados en la reacción de fisión y, de este modo, mantiene la reacción en cadena controlada. d) Verdadero. En las reacciones de fusión se parte de átomos ligeros y se obtienen átomos más pesados, perdiéndose una pequeña cantidad de materia que se transforma en una gran cantidad de energía. Un núcleo de deuterio se fusiona con otro de tritio y se obtiene un núcleo de helio, emitiendo un neutrón y la energía de fusión al medio..5 Explica por qué cuando un átomo se transforma en un ion no varía su masa, y sí lo hace en las desintegraciones radiactivas. En estas últimas, varía el tipo de elemento? Qué opinaba E. Rutherford? Y P. Curie? Puedes buscar información en la dirección de internet: www.e-sm.net/qbach8. Al formarse un ion el átomo pierde electrones (catión) o los gana (anión). Los electrones se caracterizan por tener carga negativa y masa despreciable frente a los protones o los neutrones. Por tanto, los iones tendrán la misma masa que los átomos de los elementos de los que proceden. En las desintegraciones radiactivas, la masa de las sustancias varía, debido a que pierden nucleones. En 9, Ernest Rutherford, ayudado por Frederick Soddy en el estudio de la radiactividad del torio, concluye que el fenómeno va acompañado de una desintegración del elemento. Este descubrimiento choca con el principio de indestructibilidad de la materia. Incluso Pierre Curie, que había comprobado la pérdida de masa de las sustancias radiactivas, creía que no existían cambios en la naturaleza de la materia y tardó años en admitir las conclusiones de Ernest Rutherford. NATURALEZA DUAL DE LA LUZ. ESPECTRS ATÓMICS.6 Una lámpara de neón emite una radiación cuya longitud de onda es de 66 nm. Podría esta radiación producir la emisión de fotoelectrones al incidir sobre una lámina de sodio? Dato. Frecuencia umbral del sodio: 5, 9 Mz. Se producirá efecto fotoeléctrico si la energía de la radiación incidente es mayor que la energía umbral o trabajo de extracción. Como la energía y la frecuencia están directamente relacionadas ( E hν ), se producirá efecto fotoeléctrico si la frecuencia de la radiación incidente es mayor que la frecuencia umbral. ν 8 c, (ms ),9 9 λ 66 (m) z,9 Mz < ν 8 umbral En este caso, no existe emisión de fotoelectrones ya que la frecuencia umbral es mayor que la frecuencia de la radiación incidente. 9

.7 Un hongo encontrado en Chernóbil posee alta concentración de melanina. Este pigmento le permite absorber radiaciones UV, perjudiciales para las personas, y emplearlas en su propio beneficio. Puede crecer el hongo si sobre él incide una radiación cuya longitud de onda varía entre - m y Å? Razona la respuesta. Si deseas más información sobre el hongo citado puedes consultar la siguiente dirección de internet: www.e-sm.net/qbach9 Dato. Å - m Las longitudes de onda varían entre: (nm) λ (m) (m) 9 5 nm o (nm) λ (A) o (A) Valores correspondientes a la zona IR del espectro electromagnético, por lo que no son útiles para el hongo. nm.8 Una radiación de nm que incide sobre una lámina de cinc es capaz de provocar la emisión de electrones con una energía cinética de 9,9 - J. Determina la frecuencia y energía umbrales. Dato. h 6,6 - J s Aplicando la ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico: hc E w extracción + Ec h ν h ν + Ec h ν + E λ c 8 6,6 (Js), (m s ) 6,6 (Js) ν + 9,9 (J) ν 8,5 z 9 (m) E umbral w extracción hν 6,6 (Js) 8,5 (z) 5,6 9 J.9 La energía necesaria para extraer un mol de electrones de una superficie metálica de cesio es de 8 J. A partir de qué frecuencia tendrá lugar el efecto fotoeléctrico? Datos. h 6,6 - J s; N A 6, electrón mol - La energía necesaria para extraer un electrón es: 8 (J ) (mol ) E,5 (mol ) 6, (electrones ) 9 J electrón Por tanto, la frecuencia mínima para producir el efecto fotoeléctrico es: ν 9 E,5 (J),6 z h 6,6 (J s)

. Crees que los espectros atómicos de emisión permiten explicar el funcionamiento de los tubos fluorescentes? A qué es debida su peligrosidad al romperse? Busca información sobre los tubos fluorescentes en: www.e-sm.net/qbach. Sí, los espectros atómicos de emisión permiten explicar el funcionamiento de los tubos fluorescentes. Al someter el tubo fluorescente a una determinada ddp, los filamentos desprenden electrones que ionizan los átomos de argón que contiene el tubo y también excitan el mercurio en forma de vapor que hay en su interior. Una sustancia fluorescente que recubre el interior del tubo absorbe la radiación ultravioleta que emite el vapor de mercurio y la reemite en forma de luz visible (de menor energía). La luz emitida por el tubo tendrá distinta coloración según la sustancia fluorescente. Luz visible Sustancia fluorescente UV Electrón emitido Átomo de g Su peligrosidad se debe no solo al vidrio que corta, sino también a la toxicidad del mercurio que se absorbe y que, debido a que el cuerpo no es capaz de eliminarlo, se almacena en el hígado y en los riñones.. El ozono absorbe radiaciones de longitudes de onda comprendidas entre y nm pertenecientes a la zona UV del espectro electromagnético. Puede un fotón de energía,55-9 J ser absorbido por una molécula de ozono? El agujero de la capa de ozono es realmente tal? Busca información en la dirección de internet: www.e-sm.net/qbach hc hc E h ν ; λ λ E 8 6,6 (Js), (m s ) 7 λ f otón 7,8 m 78 nm 9,55 (J) Como la longitud de onda de esta radiación es mayor que la necesaria ( nm), esta radiación no es absorbida por el ozono y no es capaz de producir su destrucción. No es un agujero, sino una zona de menor espesor.

MDELS ATÓMICS DE BR Y MECANCUÁNTIC. El tenista Rafa Nadal lanza una pelota de tenis de 57 g con una velocidad de 6 km h -. a) Cuál es la longitud de onda de De Broglie? Puede detectarse dicha onda? b) Si la pelota tuviese el tamaño de una partícula subatómica, se verían afectados los resultados del tenista? Datos. h 6,6 - J s h 6,6 (J s) 5 a) λ,6 m,6 nm m v 6 57 (kg) ( m s ) 6 Esta onda no se puede detectar, ya que su longitud de onda es muy inferior al tamaño de cualquier rendija que nos permitiese visualizar fenómenos de difracción o interferencia. Las rendijas o redes de diracción de menor tamaño oscilan alrededor de Å. b) Sí, ya que ahora, por el principio de indeterminación de eisenberg, Nadal no podría conocer a la vez la posición y la velocidad de la pelota con total precisión.. Una radiación verde monocromática de longitud de onda 57 nm incide sobre un átomo de hidrógeno. a) Calcula la energía de un fotón y de un mol de fotones. b) Compara esta energía con la de las transiciones electrónicas responsables de la primera y segunda líneas de Balmer. Datos. h 6,6 - J s, N A 6, fotones mol - ; R,8-8 J a) h c 6,6 E λ (J s), 57 9 (m) 8 (m s ),9 9 J fotón E molar 9,9 (J ) (fotón) 6, (fotones ), (mol ) 5 Jmol, kjmol b) En la serie de Balmer la energía viene dada por la expresión: Δ E R n j Para la primera línea de la serie de Balmer n j y para la segunda n j. Si aplicamos los valores en la ecuación, resulta: Δ E Δ E ª línea ª línea R R,,9 9 9 J J Al comparar las energías, observamos que ΔE.ªlínea < ΔE fotón < ΔE.ª línea.

. Al someter electrones a una diferencia de potencial de V se consigue acelerarlos hasta alcanzar u- na velocidad de, 6 km h -. a) Calcula la longitud de onda de los electrones. b) La imagen obtenida, se verá en color? Por qué? Datos. h 6,6 - J s, m e 9,9 - kg a) Si aplicamos la ecuación de Louis de Broglie, resulta: λ h 6,6 (J s) 6,6 m m v 6 9,9 (kg), (m s ) 6 b) La imagen obtenida no se verá en color debido a que la zona visible del espectro en la que se aprecian los colores tiene longitudes de onda comprendidas entre nm y 7 nm..5 Calcula las longitudes de onda mínima y máxima de la serie Lyman. La serie de Lyman comprende todas las transiciones electrónicas en las que el electrón cae desde un nivel superior hasta el fundamental (n i ). Como la energía y la longitud de onda son inversamente proporcionales h c ( ΔE ), la radiación de menos energía es la de mayor longitud de onda (transición de la ª. órbita a la ª.). λ c R ν λ h λ n i nj R hc n i nj λ máxima 8 6 7,6 (Js), (m s 8,8 (J) ), m La radiación de menor longitud de onda es la de mayor energía, aquella que es capaz de ionizar al átomo. λ mínima R hc λ mínima 6,6 (Js), (m s ) 8 9, m 8,8 (J) 8.6 Razona si tiene sentido la siguiente pregunta: Es el electrón una onda o una partícula?. Y si trasladamos la pregunta al mundo macroscópico, aplicándola, por ejemplo, a un coche? La pregunta planteada no tiene sentido. El electrón posee una doble naturaleza comportándose a veces como onda (difracción de electrones) o como partícula (efecto fotoeléctrico), pero no es una onda o una partícula. Ambas palabras son dos formas distintas de nombrar una misma realidad, su doble naturaleza o comportamiento. En el mundo macroscópico predomina una de sus dos naturalezas frente a la otra. El coche posee naturaleza corpuscular, ya que la onda que lleva asociada tiene una longitud de onda tan pequeña que es indetectable..7 Calcula la energía necesaria para ionizar un átomo de hidrógeno que está en un estado excitado en el que el electrón se encuentra en n 5. Es esta energía igual a la necesaria para ionizar dicho átomo si está en su estado fundamental? Justifica tu respuesta numéricamente. Δ E R R 8,7 ni n j 5 Si el átomo está en su estado fundamental, la energía para ionizarlo es mayor porque el electrón está inicialmente en el primer nivel de energía; su valor es: Δ E R R,8 ni n j 8 J J

.8 La constante de Rydberg en unidades de energía tiene el valor,8-8 J. Cuál es su valor en m -? Datos. h 6,6 - J s; c, 8 m s - Si comparamos las siguientes ecuaciones: ΔE R n i n R j λ hc hc ni n j ΔE λ observamos que R h c tiene unidades de longitud -. Su valor es: R h c 6,6,8 8 (J) (J s), 8 (m s, ) Aunque desde un punto de vista estricto el m - no es una unidad de energía, se emplea mucho en espectroscopia. 7 m.9 Discute la veracidad de las siguientes afirmaciones. a) La distancia a la cual es máxima la probabilidad de encontrar al electrón en un orbital s se corresponde con el radio de la primera órbita de Bohr. b) Según el modelo mecanocuántico, el tercer nivel energético posee tres orbitales. a) Verdadero. Como observamos en la representación de la probabilidad de encontrar al electrón en el orbital s frente a la distancia al núcleo, esta es máxima a una distancia del radio de la primera órbita de Bohr (a ). ψ a r b) Falso. El tercer nivel de energía (n ) posee tres subniveles: s (l ), p (l ) y d (l ). El subnivel s consta de un orbital (m l solo puede tomar un valor, ), el subnivel p, de tres orbítales (m l,, ), y el subnivel d, de cinco orbitales (m l,,,, ). En total hay nueve orbitales.. De acuerdo con el modelo atómico de Bohr, calcula para el átomo de hidrógeno: a) La diferencia de energía entre su tercer y su quinto nivel. b) La frecuencia de una radiación capaz de provocar el tránsito electrónico entre ambos niveles. c) Si el electrón cayese hasta alcanzar el nivel inferior, se absorbería o se desprendería energía? Razona la respuesta. Datos. R,8-8 J; h 6,6 - J s - 9 a) Δ E R R,55 J ni n j 5 E,55 (J) 8 b) De acuerdo a la ecuación de Planck: E h ν ν, z, Mz h 6,6 (Js) c) Se desprendería energía, ya que pasa de una órbita más externa (mayor energía) a otra más interna. 9

NÚMERS CUÁNTICS Y NIVELES DE ENERGÍA. TAMAÑ, FRMA Y ENERGÍA DE LS RBITALES. Basándote en el principio de exclusión de Pauli, justifica el número máximo de electrones que puede albergar un orbital de tipo p. El principio de exclusión de Pauli establece que en un átomo no puede haber dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales. Si hay dos electrones en un mismo orbital (n, l y m l de igual valor), al menos deben diferenciarse en el espín y m s solo puede tomar dos valores. Así, en un orbital, da igual del tipo que sea, caben como máximo dos electrones.. Por qué la energía de un orbital p es menor que la de un orbital s? La energía de los orbitales en átomos polielectrónicos viene dada por el valor de n + l. Cuanto menor es este, menor es la energía del orbital. Además, para aquellos orbitales con el mismo valor de n + l, tendrá menor energía el de menor valor de n. p n,l n + l Energía de un orbitalp < Energía del orbital s s n,l n + l. Discute la veracidad de la siguiente afirmación: Desde un punto de vista energético, es igual desplazar un electrón entre dos orbitales siempre que estos sean consecutivos. Falso. La variación de energía depende de los orbitales entre los que ocurre el salto electrónico. Por ejemplo, la energía intercambiada para pasar un electrón del orbital s al s es mayor que la intercambiada en el salto electrónico del orbital s a uno del subnivel p.. Son posibles las siguientes agrupaciones de números cuánticos? a) (,,, /) b) (,,, /) c) (,,, /) d) (,,, /). Debemos tener en cuenta que los posibles valores de los números cuánticos son: n,, l,, n m l l, l +, l, l m s + /, /. a) Sí es posible: n, l (d), m l y m s + /. b) No es posible, porque l no puede tener valores menores que. c) Sí es posible: n, l (p), m l y m s + /. d) No es posible, porque m s no puede valer /..5 Indica razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas. a) El nivel energético n es capaz de alojar, como máximo, 8 electrones. b) Si el subnivel 5f posee nueve electrones, solo tres estarán desapareados. c) El orbital d yz es capaz de albergar un máximo de dos electrones, mientras que el subnivel d tiene capacidad para. a) Falso. El número de orbitales en n es n. Según el principio de exclusión de Pauli, en cada orbital solo pueden alojarse dos electrones con espines antiparalelos; por tanto, en el segundo nivel de energía caben ocho electrones. b) Falso. Si hacemos el diagrama orbital, observaremos que habrá cinco electrones desapareados. c) Cierto. Según el principio de exclusión de Pauli, en cada orbital caben como máximo dos electrones. El nº. de electrones que caben en un subnivel es (l + ), como l (orbital d): ( + ) e. 5f 5

.6 En un mismo átomo, cuál es el número máximo de electrones que pueden tener los siguientes números cuánticos? a) n b) n 5, l y m l c) n, l, m l y m s / a) El número de orbitales en n es n 9. Como caben dos electrones en cada orbital, puede tener como máximo un total de 8 electrones. b) Se trata del orbital (5,, ); es uno de los cinco orbitales del subnivel 5d. Por ser un orbital puede albergar como máximo dos electrones (uno con espín +/ y otro con espín /). c) El conjunto de los cuatro números cuánticos determinan electrón. En este caso: (,,, /)..7 Indica por qué el siguiente enunciado es falso: El azufre, el oxígeno y el selenio poseen valencias, y 6. Los tres elementos pertenecen al mismo grupo. Sus configuraciones electrónicas son: xígeno ( 8 ): s s p Azufre ( 6 S): s s p 6 s p Selenio ( Se): s s p 6 s p 6 s d p En el mismo nivel de energía del último orbital con electrones, el azufre y el selenio poseen subniveles d vacíos (d para el azufre y d para el selenio), por lo que pueden compartir (valencia covalente) seis y cuatro electrones. Sin embargo, el oxígeno no presenta tal posibilidad, ya que el segundo nivel no posee orbitales de tipo d y, por tanto, su valencia solo es..8 Completa la siguiente tabla y ordena los orbitales según energía creciente. Capa n l Tipo de orbital m l L s N d,,,, K s 5 p,, Su energía, salvo en el caso del hidrógeno, viene dada por n + l, de forma que cuanto menor sea este valor, menor será su energía. Si dos orbitales poseen el mismo valor de n + l, el de menor energía será el de menor valor de n. Así: s < s < d < 5p.9 La configuración electrónica de un átomo de un elemento del sistema periódico, en su estado fundamental, es: s s p 6 s p 6 d 8 s. a) Indica razonadamente los números cuánticos del último electrón que completa la configuración electrónica anterior. b) Indica razonadamente los números cuánticos del electrón más externo en la configuración electrónica anterior. c) Indica razonadamente cuántos electrones desapareados tiene un átomo de este elemento en su estado fundamental. a) Considerando que el último electrón no es el más externo (el del orbital s) sino el último introducido (uno de los apareados del subnivel d), una posible combinación es: (,,, /). b) El electrón más externo es uno de los dos que hay en el orbital s. Estos están caracterizados por: (,,, /) y (,,, /). c) En el diagrama de orbitales, observamos que hay dos electrones desapareados en los orbitales d. d 6

CNFIGURACINES ELECTRÓNICAS.5 Determina las configuraciones electrónicas de: manganeso, ion sulfuro (S - ), ion aluminio y argón, e indica el número de electrones desapareados que posee cada uno. Es paramagnética alguna de estas sustancias? Por qué? Datos. Z (Mn) 5, Z (S) 6, Z (Al) y Z (Ar) 8 5Mn (neutro, tiene 5 electrones): s s p 6 s p 6 s d 5 6S - (ion, tiene 8 electrones): s s p 6 s p 6 [Ar] Al + (ion, tiene electrones): s s p 6 [Ne] 8Ar (neutro, tiene 8 electrones): s s p 6 s p 6 Los tres últimos tienen configuración de gas noble, sus orbitales están llenos, y todos sus electrones, apareados. El manganeso es la única sustancia paramagnética, ya que tiene cinco electrones desapareados, tal como observamos en el diagrama orbital. d.5 El cloruro de cobalto (II) hexahidratado, CoCl 6, es una sal que se emplea como tinta invisible y que, entre otros conceptos, permite explicar el de reacción química reversible. a) Establece las configuraciones del átomo metálico neutro y de su catión, justificando a qué orbital pertenecen los electrones perdidos. b) Si se utilizase leche como tinta invisible, qué diferencias existirían? Puedes consultar la siguiente dirección de internet: www.e-sm.net/qbach Dato. Z (Co) 7 a) El átomo metálico neutro tiene 7 electrones (igual que su número atómico, que es el número de protones) y el catión cobalto (II) tiene dos electrones menos (es decir, 5 electrones). Sus configuraciones electrónicas son: [Co]: s s p 6 s p 6 d 7 s [Co + ]: s s p 6 s p 6 d 7 Los electrones que pierde el cobalto cuando forma el catión son los del orbital s, porque es más energético que los orbitales d. b) La leche se carameliza al calentarla y las letras aparecen debido a este proceso químico, que es irreversible..5 A través de los diagramas de orbitales, indica el número de electrones desapareados que posee un átomo de: nitrógeno, cadmio y boro. Datos. Z (N) 7, Z (Cd) 8 y Z (B) 5 7N: s s p 8Cd: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5B: s s p Al representar el último diagrama de orbitales en el que se han introducido electrones, observamos lo siguiente: N Cd B p d p Por tanto, el nitrógeno posee tres electrones desapareados, el cadmio ninguno y el boro uno. 7

.5 Considera las siguientes configuraciones en estado fundamental: a) s s p 7 b) s s c) s s p 5 d) s s p 6 s. Razona cuáles cumplen el principio de exclusión de Pauli. El principio de exclusión de Pauli establece que en un átomo no puede haber dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales. Así, un subnivel s albergará como máximo dos electrones, y un subnivel p, 6 electrones (dos por cada orbital tipo p). Si aplicamos esto a las configuraciones electrónicas dadas, tenemos que: a) y b) no cumplen el principio, ya que cada una de ellas tiene un electrón más de los permitidos; sin embargo, c) y d) sí cumplen el principio..5 Basándote en la configuración electrónica del oro (Z (Au) 79), justifica la estabilidad del ion oro (I). Los 79 electrones del oro se encuentran distribuidos de la siguiente manera: [Au]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d Para formar el catión, el oro pierde el electrón situado en el orbital 6s. Al hacerlo todos sus orbitales están llenos, lo que le confiere estabilidad..55 Establece la configuración electrónica de un átomo de plata en un estado excitado y justifica su valencia. Dato. Z (Ag) 7 Como su número atómico es 7, tiene 7 protones y, como es un átomo (neutro), también tiene 7 electrones que se encuentran distribuidos de la siguiente manera: [Ag]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d (configuración electrónica en su estado fundamental) Para formar el catión, la plata pierde el electrón situado en el orbital 5s. Al hacerlo todos sus orbitales están llenos, lo que le confiere estabilidad. Un posible estado excitado vendría dado por la configuración: [Ag*]: s s p 6 s p 6 s d p 6 d 5p..56 Dadas las siguientes configuraciones electrónicas: A: s s p ; B: s s p s, si son de átomos neutros, razona si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas. a) Ambas configuraciones corresponden a átomos en su estado fundamental. b) Las dos configuraciones corresponden a átomos del mismo elemento. c) Para separar un electrón de A se requiere más energía que para separarlo de B. a) Falso. A sí está en su estado fundamental, mientras que B no, ya que uno de los electrones del subnivel p ha pasado a un nivel más energético, el s. La configuración de B es un estado excitado del A. b) Verdadero. Al ser átomos neutros y tener el mismo número de electrones, también tienen el mismo número de protones y, por tanto, el mismo número atómico. Se trata del mismo elemento. c) Verdadero. Requiere más energía separar un electrón de un orbital p que de un orbital s (ya que está más alejado del núcleo)..57 El elemento más parecido al carbono es el silicio, cuyo número atómico es. a) Establece la configuración electrónica de un átomo de silicio en su estado fundamental. b) De los siguientes diagramas de orbitales, cuál se corresponde con una situación paramagnética? Son todas igualmente estables? A B C p p p c) Este semimetal se emplea en la construcción de células fotovoltaicas. Sabrías explicar su funcionamiento? Puedes consultar la dirección de internet: www.e-sm.net/qbach. 8

a) Los electrones del silicio se encuentran distribuidos de la siguiente manera: [Si]: s s p 6 s p. b) Una sustancia es paramagnética si posee electrones desapareados, situación que solo se da en c). No son todas igualmente estables; según la regla de máxima multiplicidad de und, la más estable (es decir, la menos energética) es la c). Las otras dos son estados excitados del átomo. c) En una célula fotovoltaica, al incidir la luz de una determinada frecuencia, se produce el efecto fotoeléctrico, y la corriente eléctrica se conduce. Estos aparatos permiten la obtención de energía eléctrica a partir de la energía solar..58 Indica razonadamente cuáles de las siguientes configuraciones electrónicas corresponden a átomos neutros en estados excitados e indica de qué elemento se trata. a) s s p 6 s p 6 b) s s p 6 s p 6 s c) d a) Corresponde a un estado excitado, ya que el subnivel s está semiocupado mientras que el p (más energético) está lleno, esto implica que uno de los electrones del orbital s haya pasado al orbital p semiocupado. b) Se encuentra en su estado fundamental, porque los electrones han ocupado los orbitales por orden creciente de energía. Es un estado excitado del átomo de hidrógeno, en donde el electrón ha pasado de su orbital s al d. PRBLEMAS DE SÍNTESIS.59 A finales del siglo XIX, Becquerel descubrió casualmente la radiactividad al dejar junto a unas placas fotográficas un mineral de uranio. Aunque todos los isótopos de este elemento son radiactivos, únicamente el U-5 es útil como combustible de los reactores nucleares de fisión. Por ello es necesario enriquecer la muestra en dicho isótopo frente al U-8, más abundante, ya que, si no, no tendrá lugar una reacción en cadena. Sabiendo que para el uranio Z 9: a) Calcula el número de partículas subatómicas que forman un átomo del uranio-5. b) Sabiendo que en el subnivel 5f hay tres electrones, represéntalos en un diagrama de orbitales e indica los posibles valores de sus números cuánticos. c) La configuración electrónica de un átomo de uranio en estado fundamental es [Rn] 5f 6d 7s. Coincide con la esperada? Por qué? a) El número de protones es Z 9; el número de neutrones, n A Z 5 9, y el número de electrones, por ser neutro, es igual al número de protones 9. b) En un mismo subnivel hay 7 orbitales f (l ). 5f La situación más estable es aquella en la que los tres electrones están desapareados en orbitales f distintos. Tres posibles grupos de valores de los números cuánticos de los electrones son: (5,,, /); (5,,, /); y (5,,, /). c) No. Siguiendo el diagrama de Möller, la configuración esperada es: [Rn] 7s 5f ; se tendrían que llenar antes los orbitales 5f que los 6d. 9

rdenación periódica de los elementos EJERCICIS PRPUESTS. Si se aplica la ley de las octavas de Newlands al calcio, con qué elemento presentaría semejanzas? Ten en cuenta que en esta época el escandio no se conocía. La ley de las octavas de Newlands dice que, al ordenar los elementos químicos de acuerdo a sus masas atómicas crecientes, el octavo elemento, contando desde cualquiera, presenta propiedades semejantes al primero (igual que sucede con la escala musical). El octavo elemento contando desde el calcio y sin tener en cuenta el escandio es el níquel, cuyas propiedades no tienen nada que ver con las del calcio. La ley de las octavas de Newlands solo tiene validez hasta el calcio, elemento a partir del cual se introducen los metales de transición.. bserva la tabla periódica de Mendeleiev y nombra los elementos para los que dejó huecos. A qué se deben las irregularidades en las tablas periódicas de L. Meyer y D. I. Mendeleiev? Justifica tu respuesta. Los elementos para los que Mendeleiev dejó huecos y que fueron descubiertos posteriormente son: galio (eka-aluminio), escandio (eka-boro) y germanio (eka-silicio). Las irregularidades en las tablas de L. Meyer y D. I. Mendeleiev se deben a que ordenaron los elementos químicos de acuerdo a su masa atómica creciente y no a su número atómico. Las propiedades de los elementos son función periódica de sus números atómicos.. Qué ventajas presenta la tabla periódica de Werner? Al ordenar los elementos químicos por su número atómico creciente desaparecen las anomalías que surgen si se ordenan de acuerdo a sus masas atómicas. En la clasificación de Werner, las posiciones de los elementos teluro y yodo, níquel y cobalto, argón y potasio son las que caben esperar. Además, se definen exactamente los huecos en los que debían estar elementos aún no descubiertos. También en esta clasificación se aprecia mejor la periodicidad de las propiedades.. Qué representaban las letras A y B en la antigua denominación de los grupos de la tabla periódica? Con la letra A se denominaba a los grupos de elementos cuyo electrón diferenciador se aloja en un orbital de tipo s o p. Son los llamados elementos representativos. Con la letra B se denominaba a los grupos de metales con características comunes cuyo electrón diferenciador se aloja en un orbital de tipo d. Son los llamados metales de transición..5 Sin hacer uso de la tabla periódica indica a qué grupo pertenecen los átomos de números atómicos: a) 7 b) 9 c) d) En la tabla periódica actual los elementos se colocan por su número atómico (Z) creciente. Combinando esto con las longitudes de los diferentes períodos podemos saber el lugar que ocupa cada elemento. Teniendo en cuenta que en el primer período hay dos elementos, el elemento Z 7 es el quinto del segundo período. Es el nitrógeno, primer elemento de los nitrogenoideos (grupo 5). Es el séptimo elemento del segundo período. Es el flúor, primer elemento de los halógenos (grupo 7). Como el primer período tiene dos elementos, y el segundo y el tercero, ocho cada uno, el elemento Z ocupará el cuarto lugar del cuarto período. Es el titanio, metal de transición del grupo. Teniendo en cuenta que hay 8 elementos en el cuarto período, el elemento Z ocupa la decimoquinta posición del cuarto período. Es el arsénico, tercer elemento del grupo de los nitrogenoideos (grupo 5).

.6 Basándote en las configuraciones electrónicas, justifica la diferente extensión de los períodos del sistema periódico. Cada período termina cuando se han llenado los subniveles ns y np del nivel de energía (n), que es igual al número del período. Teniendo en cuenta también el orden creciente de energía de los orbitales (diagrama de Möller), tenemos que: En el primer período se llena el primer nivel de energía (n ), que solo tiene un orbital de tipo s (caben electrones); por tanto, solo contiene dos elementos. El segundo período contiene ocho elementos porque se llena el segundo nivel de energía (n ), es decir, el subnivel s ( electrones) y el p (6 electrones). El tercer período también contiene ocho elementos, como resultado de llenar los subniveles s ( electrones) y p (6 electrones). El cuatro período contiene 8 elementos, ya que está compuesto por aquellos elementos cuyo electrón diferenciador entra en el subnivel s, en el d o en el p. El número de electrones que cabe en cada uno de estos subniveles es, y 6 electrones, respectivamente. El quinto período contiene también 8 elementos, los subniveles que se llenan son el 5s, el d y el 5p. El número de electrones que pueden albergar cada uno de estos subniveles es, y 6 electrones, respectivamente. El sexto período, el más largo, contiene elementos. Los subniveles que se llenan son el 6s, el f, el 5d y el 6p, y el número de electrones que cabe en cada uno de ellos es, respectivamente,,, y 6 electrones. El séptimo período está incompleto..7 En muchas tablas periódicas aparecen el lantano y el actinio en el grupo (antiguo IIIB). Es correcto? Razona la respuesta. Es incorrecto. El primer elemento de transición del sexto período debería tener el subnivel f lleno y el lantano no lo cumple. En estas tablas periódicas, en lugar del lantano debería estar el lutecio, cuya configuración electrónica es: [Xe] 6s f 5d. Lo mismo ocurre con el actinio (metal de transición interna), en cuyo lugar debería estar el laurencio ([Lr]: [Rn] 7s 5f 6d )..8 Un elemento A posee una capa de valencia de configuración s p. a) Sin consultar la tabla periódica, indica de qué elemento se trata y a qué grupo pertenece. b) Investiga sus aplicaciones en la dirección de internet: www.e-sm.net/qbach6 a) Su capa más externa es la tercera. Por tanto, se encuentra en el tercer período. Posee cinco electrones de valencia, dos en el subnivel s y tres en el p, por lo que se encuentra en el grupo 5 (nitrogenoideos). Se trata del fósforo. b) Una de sus aplicaciones son las cerillas. Las cabezas de las cerillas de seguridad contienen trisulfuro de antimonio y un agente oxidante (por ejemplo, clorato de potasio) pegados con cola. La superficie de frotamiento de la caja contiene vidrio en polvo, fósforo rojo y cola. Por el calor desprendido en la fricción, el fósforo rojo se transforma en fósforo blanco, que arde y prende la cabeza de la cerilla.

.9 El carbono- es un isótopo radioactivo que se emplea para datar fósiles. Las plantas lo incorporan a través de la fotosíntesis y por ingestión de estas entra a formar parte de los animales. Razona qué relación existirá entre los tamaños del átomo neutro, catión carbono (IV) y el ion carburo. En su reacción de transmutación, el carbono- proporciona otro elemento de número atómico 7. Sabrías decir cuál es y situarlo en la tabla periódica? 6C (átomo neutro) tiene seis protones y seis electrones; su configuración es: s s p 6 C + (catión carbono (IV)) tiene seis protones y dos electrones; su configuración es: s 6C - (ion carburo) tiene seis protones y electrones, su configuración es: s s p 6 El tamaño de los aniones es mayor que el de su respectivo átomo neutro, y el del átomo neutro, mayor que el de sus cationes. El anión tiene el mismo número de protones que el átomo neutro pero cuatro electrones más, que son atraídos con menos fuerza por el núcleo. Además, la introducción de estos electrones aumenta las repulsiones existentes entre ellos, lo que se traduce en un aumento del tamaño. El catión tiene el mismo número de protones que el átomo neutro pero menos electrones, los cuales serán atraídos con más fuerza. Además, en este caso, el catión tiene una capa menos y, en consecuencia, un tamaño más pequeño. Por tanto, el orden del átomo neutro, del catión carbono y del ion carburo en función de sus tamaños es: Tamaño de C + < Tamaño de C < Tamaño de C - El elemento cuyo número atómico es 7 es el nitrógeno. Se encuentra situado en el segundo período y es el elemento cabecera del grupo de los nitrogenoideos (grupo 5).. Los mineros del cobre de Alemania descubrieron un nuevo elemento al que dieron un nombre que significaba malévolo espíritu de la Tierra, ya que les hacía enfermar. Además presentaba propiedades magnéticas similares a las del hierro. a) Busca información sobre el mismo en la dirección: www.e-sm.net/qbach7. b) Qué relación existe entre los volúmenes de un átomo del elemento y de los iones que forma? a) El elemento del que se habla es el cobalto. En aquellas minas, a veces aparecían menas azules que no contenían cobre sino cobalto. Este iba impurificado con arsénico y por este motivo los mineros enfermaban. En 7, el médico sueco Brandt lo aisló, descubriéndose así la primera sustancia con propiedades magnéticas distintas del hierro. b) Puesto que el cobalto es un metal, únicamente formará cationes. El volumen del átomo neutro siempre será mayor que cualquiera de sus cationes, porque al eliminar electrones sin variar la carga nuclear aumenta la atracción y disminuye el volumen.. El Li + es isoelectrónico con el e. Significa esto que sus energías de ionización son iguales? Razona la respuesta. No. Aunque ambos poseen el mismo número de electrones (dos cada uno) y, por tanto, la misma configuración electrónica, pero la carga nuclear no es la misma. Como el catión litio tiene un protón más que el helio atraerá con más fuerza su último electrón. De ahí que la energía de ionización del catión litio sea 796,5 kj mol - frente a los 7,7 kj mol - del helio.. Dos elementos A y B poseen los siguientes valores de sus primeras energías de ionización: 5, y,8 medidas en ev. Cuál de las dos dará aniones con mayor facilidad? Por qué? La primera energía de ionización es la energía necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental. Cuanto mayor es la primera energía de ionización de un átomo, más difícil será extraer de él un electrón y mayor será su afinidad electrónica; por tanto, será más fácil que ese átomo gane electrones para formar un anión. Si el elemento B tiene mayor energía de ionización que el A, dará aniones con mayor facilidad.

. Discute la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones. a) Cuanto mayor es la afinidad electrónica, más difícil es que se forme un anión. b) El cloro posee mayor electroafinidad que el calcio. a) Falso. Si consideramos la afinidad electrónica en valor absoluto como la tendencia a coger electrones para formar aniones, tenemos que a menor afinidad electrónica más difícil es que se forme el anión. Si tenemos en cuenta el signo de la energía puesta en juego en el proceso de captura del electrón, será más difícil que se formen aniones si es positivo (proceso endotérmico). b) Verdadero, si consideramos la electroafinidad o afinidad electrónica en valor absoluto. El cloro es un no metal, concretamente un halógeno, y presenta una mayor tendencia a coger electrones (le falta uno para adquirir la configuración electrónica de gas noble) que el calcio, que es un metal.. Las afinidades electrónicas de dos elementos A y B son, respectivamente,,6 y, ev átomo -. a) Si uno de ellos es metálico y el otro no metálico, justifica cuál es cada uno. b) Escribe las ecuaciones químicas de los procesos expresando la energía intercambiada en los mismos en kj mol -. a) La afinidad electrónica es aquella propiedad periódica que se define como la energía intercambiada en el proceso en el que un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental captura un electrón para transformarse así en un ion mononegativo. Los metales no tienen tendencia a capturar electrones, sino a cederlos. De los dos valores, el positivo (proceso endotérmico) corresponderá al metal, y el negativo (proceso exotérmico), al no metal. b) 9,6 (J) (kj ) 6, (átomo),6 (ev) (átomo) (ev) (J) (mol ) 56 kj mol M (g) + e + 56 kjmol M (g) 9, ( ev ),6 (J ) (kj ) 6, (átomo) (átomo) (ev) (J) (mol ) 8 kjmol X (g) + e X (g) + 8 kj mol.5 El sodio es un metal alcalino muy blando (se puede cortar con tijeras) que reacciona violentamente con el agua. En el proceso se forma, entre otras sustancias, hidrógeno. a) Podrías explicar qué le sucede al átomo de sodio en esta reacción? b) Cómo crees que variará la reactividad de los alcalinos con el agua al descender en el grupo? a) Los metales alcalinos (grupo de la tabla periódica) tienen bajas energías de ionización. La pérdida de un electrón supone que alcancen la configuración del gas noble más próximo, en este caso, el neón. Na s s p 6 s Na + s s p 6 [Ne] Por esta razón, la especie iónica es más estable que la neutra. El sodio reaccionará violentamente con el agua (perdiendo ese último electrón); en el proceso se desprenderá energía, lo que puede hacer explotar al hidrógeno. Na (s) + (l) Na(aq) + (g) Δº kj Se puede comprobar la formación de la base (Na) si añadimos unas gotas de fenolftaleína en el medio de reacción; al hacerlo observaremos una coloración rosa. b) Al bajar en el grupo aumenta la facilidad para arrancar el último electrón, ya que este se encuentra situado en niveles cada vez más alejados del núcleo. Como la energía de ionización es cada vez menor, se desprenderá más energía en el proceso global. El resultado es que la reacción será cada vez más violenta. Por tanto, la reactividad de los metales aumenta al descender en el grupo.

.6 En el ejercicio resuelto 9, cuál será el valor (en ev) de la energía intercambiada en el proceso de formación de un par iónico aislado? K (g) K (g) + e F (g) + e F (g) + EI, ev + K (g) + F (g) K (g) + F (g) AE,5 ev Δ EI + AE,85 ev.7 Discute basándote en las configuraciones electrónicas de las especies Ba y Ba +, cuál presenta mayor reactividad. (Z (Ba) 56). [Ba]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s [Xe] 6s Para el catión, el número de electrones es igual al número de protones menos su carga, es decir, 56 5 electrones. Su configuración electrónica es [Ba + ] [Xe]. a adquirido la configuración electrónica estable de gas noble; por tanto, el átomo neutro será más reactivo..8 Compara la carga nuclear efectiva que soporta el último electrón del orbital f del hafnio y el del orbital 6s. Si no existiese apantallamiento, sería mayor o menor el tamaño atómico del elemento? f (Z 7) s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d Teniendo en cuenta la existencia de otros electrones más internos, la carga que realmente afecta a un electrón es la nuclear efectiva (Z*). Esta se determina con la expresión: Z* Z S; siendo S la constante de apantallamiento que se calcula aplicando las reglas de Slater. Para ello es mejor escribir la configuración electrónica en grupos según n creciente: f (Z 7) (s) (sp) 8 (sp) 8 (d) (sp) 8 (d) (f) (5s5p) 8 (5d) (6s) S f,5 + 6, 5,55 Z* f Z S 7 5,55,5 S 6s,5 +,85 + 6, 68,85 Z* 6s Z S 7 68,85,5 La carga nuclear efectiva es distinta según el orbital en el que esté el electrón. Tiene menos apantallamiento el electrón f y, por tanto, mayor carga nuclear efectiva que el 6s. El tamaño del átomo sería menor si no existiese apantallamiento, ya que la carga nuclear que sentiría el electrón coincidiría con el número atómico. Los electrones serían atraídos con más fuerza por el átomo..9 Aplicando las reglas de Slater, calcula la carga nuclear efectiva para uno de los electrones de valencia de átomo de azufre y para uno de los del orbital p. S (Z 6) s s p 6 s p La carga nuclear expresiva (Z*) se determina con la expresión Z* Z S; siendo S la constante de apantallamiento que se calcula aplicando las reglas de Slater. S p 5,5 + 8,85 +,,55 Z* p Z S 6,55 5,5 S p 7,5 +,85,5 Z* p Z S 6,5,8 La carga nuclear efectiva sobre un electrón p es mayor que sobre uno de los electrones de valencia p, los cuales sufren mayor apantallamiento.

EJERCICIS Y PRBLEMAS LA TABLA PERIÓDICA. CNFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Y PERIDICIDAD. A tu juicio, cuáles crees que son los problemas que presenta la clasificación periódica de Mendeleiev? Al clasificar los elementos por orden creciente de masas atómicas se deben invertir posiciones de algunos elementos debido a que sus propiedades no se parecen a las del grupo. En algunos grupos se incluyen elementos de muy distinta reactividad. Por ejemplo, el grupo es doble, ya que incluye a los metales alcalinos y a los metales de transición cobre, plata y oro. Además, en la clasificación de Mendeleiev se debía conocer algún elemento del grupo, porque en caso contrario no quedaba hueco para el mismo.. Dos elementos A y B poseen el mismo número másico. El primero es un polvo amarillo que con frecuencia se ve en la esquina de las calles y cuyo número atómico es 6, y el segundo proporciona iones mononegativos. a) A qué grupo y período pertenecen A y B? b) De qué elementos se trata? Escribe la configuración electrónica de los iones derivados de B. a) Si el número atómico de A es 6, su configuración electrónica es: s s p 6 s p ; observamos que pertenece al tercer período (último nivel que llena). Como su configuración electrónica externa es ns np, se trata de un anfígeno (grupo 6). El número másico de B es el mismo que el de A y, además, forma iones mononegativos; el elemento que puede cumplir estas dos condiciones es el halógeno del tercer período. b) El elemento A es un anfígeno del tercer período, por tanto, es el azufre (S). El elemento B es el halógeno del tercer período, por tanto, es el cloro (Cl). El número atómico del cloro es 7 y su anión es el ion cloruro (Cl - ), que poseerá 8 electrones distribuidos de la siguiente manera: s s p 6 s p 6 [Ar]. Los únicos elementos de los metales de transición que presentan carga + en sus iones son: Cu, Ag y Au. Explica este hecho. La explicación a este hecho debe buscarse en sus configuraciones electrónicas: 9Cu s s p 6 s p 6 s d 7Ag s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 79Au s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d Todos ellos incumplen las reglas habituales de llenado de orbitales: dejan semilleno el último orbital de tipo s y completan el llenado de los orbitales de tipo d, lo que les da más estabilidad. La pérdida de este electrón (del orbital s en el caso del cobre, 5s en el caso de la plata y 6s en el caso del oro) conduce a los iones de carga +: Cu +, Ag +, Au +. Estos iones tienen llenos todos sus subniveles, situación que les da una estabilidad adicional.. Identifica el elemento que corresponde a cada una de las siguientes configuraciones electrónicas. a) s s p 6 b) s s p 6 s p c) [Ne] s d) [Kr] 5s d 8 e) [Xe] 6s f a) Es un gas noble porque su configuración electrónica externa es ns np 6 y se encuentra en el segundo período (último capa que llena). Por tanto, es el neón. Podemos comprobarlo contando el número de electrones ( + + 6 ). Como es un átomo neutro, tendrá el mismo número de protones (Z ); este número atómico corresponde al neón. b) Pertenece al tercer período (n ) y al grupo de los nitrogenoideos (ns np ). Se trata del fósforo (Z 5). c) Pertenece al tercer período (n ) y al grupo de los metales alcalinos (ns ). Es el sodio (Z + ). d) Pertenece al quinto período (n 5) y es el séptimo elemento de los metales de transición (grupo 9). Es el rodio (Z 6 + + 8 5). e) Pertenece al sexto período (n 6) y es un metal de transición interna, el segundo (f ) de los lantánidos. Se trata del cerio (Z 5 + + 58). 5

. a) Cuál es el número atómico del último elemento del cuarto período? b) Cuántos electrones desapareados posee? Justifícalo con un diagrama de orbitales. c) Representa un átomo de este elemento si posee 8 neutrones. a) Si es el último elemento del cuarto período, tiene que ser el gas noble cuya configuración electrónica externa sea s p 6. Para determinar su número atómico, completamos su configuración y contamos el número de electrones, que, como es neutro, será igual al número de protones: Por tanto, Z 6. [X]: s s p 6 s p 6 s d p 6 n.º de electrones n.º de protones 6 b) No posee ningún electrón desapareado, porque es un gas noble y tiene todos sus orbitales llenos, como se observa al representar la capa de valencia en un diagrama de orbitales: s p 8 c) La representación del átomo es 6 X. El número de protones es Z 6; el número de nucleones es A Z + n 6 + 8 8..5 La Celestina, además de ser una obra del siglo XVI atribuida a Fernando de Rojas, es un mineral cuya composición muestra que se trata de un sulfato metálico. Sabiendo que la configuración electrónica del metal es: [Kr] 5s, formula dicho mineral. [M]: [Kr] 5s. Es el metal alcalinotérreo, dado que su configuración electrónica externa es ns y pertenece al quinto período (n 5). Se trata del estroncio. Como solo forma iones dipositivos, la fórmula del mineral será: SrS..6 Indica los dos grupos representativos o principales del sistema periódico al que podría pertenecer un elemento cuyo átomo neutro en estado fundamental tienen dos electrones desapareados. Los grupos principales o representativos contienen aquellos elementos que alojan su electrón diferenciador en un orbital de tipo s o p. En un subnivel s no pueden existir dos electrones desapareados, ya que solo contiene un orbital en el que entran dos electrones con espines antiparalelos. En un subnivel p sí pueden existir dos electrones desapareados, que pueden corresponder a dos configuraciones electrónicas externas distintas. np np np configuración que corresponde a los elementos del grupo, carbonoideos. np configuración que corresponde a los elementos del grupo 6, anfígenos..7 Discute la veracidad de la siguiente afirmación: Todos los elementos cuya configuración electrónica externa es ns pertenecen al grupo de los alcalinotérreos. Falso. El helio, que es el primer gas noble, tiene como configuración electrónica s (tiene completo el primer nivel de energía en el que solo hay orbitales tipo s). 6

.8 El cesio es un metal alcalino de muy baja energía de ionización. Tiene esto algo que ver con su uso en células fotoeléctricas? Calcula la frecuencia de la radiación necesaria para ionizar el cesio, sabiendo que su primer potencial de ionización es de, ev. Datos. ev,6-9 J; h 6,66 - J s,6 (J) EI,(eV) 5, (ev) E 5, ν h 6,66 9 9 (J) 7,5 (J s) La baja energía de ionización del cesio sí está implicada en su aplicación en células fotoeléctricas, ya que las radiaciones poco energéticas son capaces de producir el efecto fotoeléctrico (emisión de electrones) en este elemento, que es el fundamento de las células fotoeléctricas. En este caso es suficiente con la radiación de la zona visible del espectro. 8 c 7, (m s ) λ, ν 7,5 (z) 9 z J m nm.9 La dolomita es un carbonato doble de dos metales de números atómicos y. a) Sitúa ambos elementos en la tabla periódica. b) Discute los iones que se espera que formen. a) Dado que Z es el número de protones y que se trata de átomos neutros: n.º de protones n.º de neutrones Sus respectivas configuraciones electrónicas son: A s s p 6 s p 6 s B s s p 6 s Los dos elementos pertenecen al grupo de los alcalinotérreos (configuración electrónica externa ns, n > ). El elemento B pertenece al tercer período (n ); es el magnesio. El elemento A pertenece al cuarto período (n ), debajo del magnesio; es el calcio. b) Si pierden los dos electrones de sus últimos niveles energéticos pasan a tener una configuración electrónica externa ns np 6, es decir, estable de gas noble. Por tanto, los iones que es de esperar que formen son iones dipositivos: Ca + y Mg +.. Clasifica los siguientes elementos en elementos representativos, metales de transición y de transición interna: rubidio (Z 7), selenio (Z ), mendelevio (Z ), platino (Z 78), nitrógeno (Z 7) y oro (Z 79). Dado que Z es el número de protones y que se trata de átomos neutros: n.º de protones n.º de electrones Aplicamos el diagrama de Möller para establecer sus respectivas configuraciones electrónicas: 7Rb s s p 6 s p 6 s d p 6 5s Se s s p 6 s p 6 s d p Md s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d 6p 6 7s 5f 78Pt s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d 9 7N s s p 79Au s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d Sabiendo que los elementos representativos alojan su electrón diferenciador en orbital de tipo s o p, los metales de transición, en un orbital de tipo d, y los metales de transición interna, en un orbital de tipo f, tenemos que: Rubidio, selenio y nitrógeno son elementos representativos. Platino y oro son metales de transición. Mendelevio es un metal de transición interna. 7

. a) Escribe la configuración electrónica, en el estado fundamental y en uno excitado, de un ion tetrapositivo de número másico y que posee 8 neutrones. b) De qué elemento se trata? Conoces alguna de sus características? a) Representando el ion: z + X. Z A n 8 6; n.º de electrones Z carga del ion 6. Configuración electrónica en su estado fundamental: s. Configuración electrónica en un estado excitado: s p. b) Su configuración electrónica en estado neutro sería: s s p ; pertenece al segundo período (n ) y al grupo de los carbonoideos (ns np ). Es el carbono. Este isótopo se caracteriza por ser radiactivo y se desintegra con el tiempo. El cálculo de la pérdida de carbono- en los organismos muertos se utiliza para datar a los fósiles.. Basándote en la posición que ocupan en el sistema periódico, discute cuáles de las siguientes especies son isoelectrónicas entre sí: Si, Mn 7+, Ar, S -, Cd y Sn + Si: pertenece al tercer período y al grupo de los carbonoideos (grupo ). Mn 7+ : pertenece a la primera serie de metales de transición (cuarto período) y al grupo 7. Ar: es el gas noble (grupo 8) que se encuentra el tercer período. S - : es el anfígeno (grupo 6) del tercer período. Cd: es un metal de transición del grupo y se encuentra en el quinto período. Sn + : pertenece al grupo de los carbonoideos (grupo ) y se encuentra en el quinto período. Las especies isoelectrónicas son las que poseen el mismo número de electrones. Para poder comparar los electrones que tienen estas especies tenemos que tener en cuenta que los cationes han perdido electrones y tendríamos que desplazarnos hacia la izquierda en la tabla periódica tantos lugares como cargas positivas tengan. Así, Mn 7+ y Ar son especies isoelectrónicas, así como Cd y Sn +. Para comparar los electrones, si es un anión tendremos que desplazarnos hacia la derecha en la tabla periódica tantos lugares como carga tenga. El anión sulfuro tendrá los mismos electrones que el argón.. Un átomo de un elemento X posee un número atómico de 5 y un número másico de 9. a) Simboliza el átomo y justifica sus valencias basándote en su configuración electrónica. b) Esta sustancia sufre una enfermedad a la que la leyenda establece como una de las causas de la derrota que sufrió el ejército napoleónico en Rusia. Cómo se denomina y en qué consiste esta enfermedad? Consulta la dirección de internet: www.e-sm.net/qbach9. 9 a) 5 X s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p Las valencias que tiene son: + y +. La valencia + supone la pérdida de los dos electrones del subnivel 5p, de forma que todos sus subniveles se quedan llenos y ganan estabilidad. La valencia + supone la pérdida de los electrones de su última capa (5s 5p ), por lo que queda más estable. b) El elemento químico es el estaño y la enfermedad que sufre a bajas temperaturas se denomina peste del estaño. A bajas temperaturas, por debajo de, ºC, el estaño blanco (forma alotrópica normal del estaño a temperatura ambiente) se transforma en otra forma alotrópica, el estaño gris, un polvo más frágil y de muy baja densidad. El ejército napoleónico no se adaptó al frío de la estepa debido, tal vez, a que los botones de estaño de sus guerreras se convirtieron en polvo y, en consecuencia, no pudieron cerrarlas para abrigarse convenientemente. 8

. Un isótopo radiactivo de un metal de transición, cuyo período de semidesintegración es de,7 días, se emplea en algunos tratamientos contra el cáncer. Si su número másico es 98 y posee 9 neutrones, establece la configuración electrónica de su estado fundamental e identifica dicho elemento. Z A n 98 9 79. En un átomo neutro: n.º de electrones n.º de protones 79 79M s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d Se encuentra en el sexto período (n 6) y en el grupo (6s 5d ); se trata del oro..5 a) De los siguientes elementos di cuál es el que pertenece al cuarto período y es un carboniodeo: galio, germanio, azufre y kriptón. b) Basándote en su configuración electrónica calcula Z. a) El grupo de los carbonoideos está formado por los elementos carbono, silicio, germanio, estaño y plomo. El carbono se encuentra en el segundo período, así que el elemento que se encuentra en el cuarto período es el germanio, Ge. b) La configuración electrónica externa de los carbonoideos es ns np y si además se encuentra en el cuarto período (n ), su configuración será: s s p 6 s p 6 s d p. Para calcular su número atómico (Z), que es el número de protones, sumamos los electrones que tiene (superíndices de la configuración electrónica), ya que al ser neutro n.º de electrones n.º de protones. Por tanto, Z. TENDENCIAS PERIÓDICAS EN EL TAMAÑ ATÓMIC.6 Cómo serán los tamaños del protón, +, y del ion hidruro, -, en comparación con el del átomo de hidrógeno? Razona tu respuesta. Como las tres especies tienen el mismo número de protones, el tamaño del anión es mayor que el del átomo neutro, y este, mayor que el del catión, ya que en este sentido aumenta la atracción del núcleo sobre los electrones. El protón no posee electrones, tiene sus orbitales vacíos. rden decreciente de tamaños: - > > +.7 Los iones X + e Y - son especies isoelectrónicas. El elemento que forma el anión pertenece al segundo período y es del grupo de los anfígenos. a) Qué elemento se representa con X? Justifica razonadamente tu respuesta. b) Compara los radios atómicos de X e Y y los iónicos de X + e Y -. a) El anfígeno del segundo período es el oxígeno y su número atómico es 8. El ion óxido ( - ) tiene electrones. Si es isoelectrónico con el ion óxido, el catión X + también poseerá electrones. El número de protones de un catión es igual al número de electrones más la carga; por tanto, X tiene protones. El elemento cuyo Z es el aluminio. b) 8 s s p Al s s p 6 s p El radio atómico del aluminio será mayor que el radio del oxígeno porque el aluminio tiene sus últimos electrones en la tercera capa, mientras que el oxígeno los tiene en la segunda. Como los iones son isoelectrónicos y la carga nuclear en el aluminio es mayor que en el oxígeno, el tamaño del catión aluminio será menor que el del ion óxido: R Al > R ; R - > R Al +. 9

.8 a) Qué tienen en común en su estructura electrónica las especies químicas Ar, Cl -, K +, Ca + y S -? b) rdena las anteriores especies por orden creciente de radio. Justifica las respuestas. a) Fijándonos en sus posiciones en la tabla periódica, todas son especies isoelectrónicas, y poseen el mismo número de electrones y la misma configuración electrónica, que es la del argón. El cloro está un lugar a la izquierda del argón y al capturar un electrón pasa a tener el mismo número de electrones que él. El azufre, al capturar dos electrones adquiere también la configuración del argón. El potasio se encuentra un lugar por detrás; al perder un electrón pasa a tener los mismos que el gas noble. El calcio se encuentra dos lugares por detrás, pero pierde dos electrones, con lo cual adquiere la configuración del gas noble. b) Como todas tienen el mismo número de electrones, el tamaño depende de la carga nuclear. Cuanto menor sea su carga nuclear (menor número atómico), con menos fuerza atraerá los electrones y mayor será el tamaño. El orden creciente de las especias dadas por su radio es: Ca + < 9 K + < 8 Ar < 7 Cl - < 6 S -.9 a) Indica la configuración electrónica de los siguientes elementos: flúor (Z 9), cloro (Z 7), potasio (Z 9) y sodio (Z ). b) rdénalos de forma creciente, justificando tu respuesta, según su: radio atómico; primera energía de ionización; electronegatividad. a) Dado que Z es el número de protones y puesto que se trata de átomos neutros: n.º de protones n.º de electrones: 9 F s s p 5 7 Cl s s p 6 s p 5 9 K s s p 6 s p 6 s Na s s p 6 s b) El radio atómico aumenta al descender en un grupo y al avanzar hacia la izquierda en un período. Dadas las posiciones de los elementos en la tabla periódica, el orden creciente de radios es: F < Cl < Na < K También es posible deducirlo observando sus configuraciones electrónicas. El flúor será el elemento de menor radio porque su última capa es la más pequeña, la ; por la misma razón el potasio será el de mayor radio (su última capa es la ). El cloro y el sodio se encuentran en el mismo período (los últimos electrones se alojan en el tercer nivel) pero el cloro tiene más protones por lo que su radio es menor. La primera energía de ionización aumenta al ascender en un grupo y al avanzar hacia la derecha en la tabla periódica; por tanto, el orden creciente de la primera energía de ionización es: K < Na < Cl < F La electronegatividad aumenta con el número atómico en un período (hasta llegar a un valor máximo en los halógenos) y al ascender en un grupo. El orden creciente de electronegatividad es: K < Na < Cl < F. Escribe la configuración electrónica del ion mercurio dipositivo. Coincide con la de un átomo cuyo número atómico sea dos unidades inferior al del mercurio? Por qué? 8 g s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d 8 g + s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 f 5d El mercurio al formar el catión dipositivo pierde los electrones de su orbital más externo (6s). Si seguimos las reglas habituales de llenado, su configuración electrónica no coincide con la del elemento con Z 78: cuya configuración real es: 78Pt s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d 8, 78Pt s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d 9

. Compara los radios de los iones seleniuro, fosfuro, sulfuro y telururo. El fósforo se encuentra en el tercer período y pertenece al grupo de los nitrogenoideos (grupo 5). El azufre se encuentra a la derecha del fósforo (tercer período, grupo 6). Por su situación en la tabla periódica, el fósforo tiene un electrón menos que el azufre, pero cuando forman los aniones el fósforo capta un electrón más; por tanto, los iones fósforo (P - ) y sulfuro (S - ) son especies isoelectrónicas. Para especies isoelectrónicas, se cumple que a menor carga nuclear, mayor radio; por tanto, el fosfuro tendrá mayor radio que el sulfuro. El selenio y el teluro pertenecen al mismo grupo que el azufre (anfígenos) y se encuentran en el cuarto y en el quinto período, respectivamente. Al descender en el grupo, aumentan las capas y el tamaño es mayor; lo mismo ocurre con el tamaño de sus respectivos iones. El orden creciente de sus respectivos radios es: S - < P - < Se - < Te -. Dados los siguientes elementos: F, P, Cl y Na: a) Indica su posición (período y grupo) en el sistema periódico. b) Determina sus números atómicos y escribe sus configuraciones electrónicas. c) rdena, razonadamente, los elementos de menor a mayor radio atómico. a) Flúor: pertenece al grupo de los halógenos (grupo 7) y se encuentra en el segundo período. Fósforo: pertenece al grupo de los nitrogenoideos (grupo 5) y se encuentra en el tercer período. Cloro: es el halógeno que se encuentra debajo del flúor, por lo que está en el tercer período. Sodio: es un metal alcalino (grupo ) y se encuentra en el tercer período. b) Como el flúor es un halógeno del segundo período, su configuración electrónica externa es s p 5. Su configuración electrónica completa es s s p 5. Para determinar su número atómico (Z), que es el número de protones, sumamos los electrones que tiene (superíndices de la configuración electrónica). Como es neutro, n.º de protones n.º de electrones. Por tanto, Z 9. El cloro que es el halógeno del tercer período tendrá la siguiente configuración: s s p 6 s p 5. Su número atómico es 7. El fósforo es un nitrogenoideo del tercer período (s p ); por tanto, su configuración electrónica es: s s p 6 s p. Tiene 5 electrones y, como es neutro, Z 5. El sodio es un metal alcalino del tercer período (s ). Su configuración electrónica es: s s p 6 s. Tiene electrones y, como es neutro, Z. c) Sabiendo que el tamaño aumenta al descender un grupo y al movernos hacia la izquierda en un período, el orden creciente de radios es: F < Cl < P < Na. Para cada uno de los siguientes pares indica la especie de mayor radio. a) Calcio e ion calcio. b) Ion calcio e ion bromuro. c) Bromo e ion bromuro. a) Los cationes son siempre más pequeños que sus átomos neutros porque la carga nuclear permanece constante, mientras que el átomo pierde electrones. De este modo, los electrones restantes serán atraídos con más fuerza por el núcleo y, en consecuencia, disminuirá el radio. Por tanto, R Ca + < R Ca. b) El calcio es un metal alcalinotérreo del cuarto período. Cuando pierde los dos electrones y forma el ion calcio, adquiere la configuración electrónica del gas noble anterior, el argón. El bromo es el halógeno del cuarto período. Cuando forma el ion bromuro, adquiere la configuración electrónica del gas noble que tiene a su derecha, el kriptón (debajo del argón en la tabla periódica). El ion bromuro tiene una capa más que el ion calcio. Por tanto, R Ca + < R Br -. c) El bromo captura un electrón para dar el ion bromuro, con lo que su carga nuclear permanece constante. Aumentan las repulsiones entre los electrones y aumenta el tamaño. Por tanto, R Br < R Br -.

. El catión monovalente de cierto elemento X y el anión divalente de otro elemento Y tienen la misma configuración electrónica: s s p 6 s p 6 s d p 6 a) Razonando la contestación, sitúa los elementos X e Y en el grupo y período del sistema periódico que les corresponde e indica los números atómicos. b) Explica cuál de los dos iones tiene mayor volumen. a) Si el catión monovalente de X tiene 6 electrones (la suma de los superíndices de la configuración dada), X tendrá 7 electrones (un electrón más que su catión) y, al ser neutro, Z 7. [X]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s Se encuentra en el quinto período (n 5) y pertenece al grupo de los metales alcalinos (ns ). Si el anión divalente de Y tiene 6 electrones, Y tiene dos electrones menos, es decir,. Por tanto, su número atómico es. [Y]: s s p 6 s p 6 s d p b) Son especies isoelectrónicas, pero como el anión tiene menos carga nuclear su volumen será mayor. Volumen X + < Volumen Y.5 Los siguientes iones: -, F -, Na +, Mg +, tienen todos electrones. a) Explica cuántos protones tiene cada uno. b) Explica cuál es el que tiene mayor y cuál menor radio iónico. c) Explica cuál de los átomos correspondientes (, F, Na, Mg) tiene el mayor radio atómico y cuál el menor. a) Al formarse los iones, los átomos ganan o pierden electrones y el número de protones permanece constante. Teniendo en cuenta que el número atómico (Z) es el número de protones y la posición de los elementos en el sistema periódico: Z ( ) Z () 8; Z (F ) Z (F) 9; Z (Na + ) Z (Na) ; Z (Mg + ) Z (Mg). b) Al tener el mismo número de electrones, el que tenga menor número de protones (Z) atraerá con menos fuerza los electrones y tendrá mayor radio. El de mayor radio es el óxido, y el de menor radio, el ion magnesio (mayor carga nuclear). c) El radio atómico aumenta al descender en un grupo y al movernos hacia la izquierda en un período. El sodio es el elemento con mayor radio atómico, y el flúor, el de menor radio. TENDENCIAS PERIÓDICAS EN LA ENERGÍA DE INIZACIÓN Y AFINIDAD ELECTRÓNICAS.6 Las tres primeras energías de ionización de un elemento químico son 78, 5 y 77 kj mol -. Sabiendo que se trata de un elemento perteneciente al tercer período del sistema periódico, indica razonadamente: a) a qué grupo pertenece y su configuración electrónica. b) qué tipo de enlace formará con los elementos del grupo de los halógenos. a) La primera energía de ionización es la que se requiere para extraer el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, gaseoso y en su estado fundamental; la segunda energía de ionizacíón es la que se requiere para extraer el electrón más débilmente unido al ion monopositivo, gaseoso y en su estado fundamental, y así sucesivamente. Para este elemento químico, la tercera energía de ionización es muy superior a las dos anteriores, lo que nos indica que el tercer electrón que se extrae se encuentra en una capa más interna y que el elemento tiene dos electrones de valencia (alcalinotérreo). Si también tenemos en cuenta que pertenece al tercer período, el elemento químico es el magnesio. Su configuración electrónica es: s s p 6 s. b) Dará un enlace iónico. El magnesio es un metal alcalinotérreo, por lo que pierde fácilmente electrones, los cuales serán capturados por el halógeno (no metal) y se formarán los iones de gran estabilidad por su configuración electrónica característica de los gases nobles; su unión dará lugar al enlace iónico.

.7 La energía mínima necesaria para arrancar un electrón a un átomo metálico es de,5 ev. a) Significa eso que su primer potencial de ionización es de,5 ev? Por qué? b) Cuál es la mayor longitud de onda capaz de extraer dicho electrón? c) Si el átomo se encontrase en un estado excitado, se vería modificado el valor de la energía? Por qué? Datos. ev,6-9 J; h 6,66 - J s a) No. La primera energía de ionización es la energía necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido (energía mínima) a un átomo neutro, gaseoso y en su estado fundamental. h c h c 6,66 (Js), (m s ) 7 b) E λ,8 m; λ 8 nm 9 λ E,6 (J ),5 (ev) (ev) 8 c) Sí. Si el átomo está en un estado excitado y este último electrón se encuentra en un orbital más energético, se necesitaría menos energía para extraerlo..8 Las energías de ionización sucesivas para el berilio (Z ), dadas en ev, son: EI 9,; EI 8,, EI 5,, etc. a) Define la primera energía de ionización y representa el proceso mediante la ecuación química correspondiente, expresando las energías en kj mol -. b) Justifica el valor tan alto de la tercera energía de ionización. a) La primera energía de ionización es la energía necesaria para extraer el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, y obtener así un ion monopositivo gaseoso y un electrón sin energía cinética. 9,6 (J ) (kj) EI 9, (ev) 6, (mol ) 896 kjmol (ev) (J) Be (g) + EI Be + (g) + e - EI 896 kj mol - b) La tercera energía de ionización corresponde al proceso: Be + (g) + EI Be + (g) + e - La configuración electrónica de Be + es s, muy estable, que corresponde a la configuración electrónica del gas noble helio. Extraer un electrón de un ion dipositivo supone la pérdida de esta estabilidad; además, este electrón se encuentra fuertemente atraído por el núcleo, dada la elevada carga nuclear del berilio (cuatro protones frente a los dos del helio)..9 Dados los átomos e iones siguientes: ion cloruro, ion sodio y neón: a) escribe su configuración electrónica. b) justifica cuál de ellos tendrá un radio mayor. c) razona a cuál de ellos será más fácil arrancarle un electrón. a) Sabiendo que Z Cl 7, Z Na y Z Ne, y que si es un átomo neutro, el número de electrones es igual al número atómico, si es un anión, el número de electrones es el número atómico más la carga, y si es un catión, el número de electrones es igual al número atómico menos la carga. Por tanto, tenemos: [Cl - ]: s s p 6 s p 6 [Na + ]: s s p 6 [Ne]: s s p 6 b) El ion cloruro es el que tiene mayor radio, ya que tiene ocho electrones en la tercera capa, mientras que las otras especies solo tienen electrones hasta la segunda capa. c) Al ion cloruro será más fácil arrancarle el último electrón, porque, además de estar más alejado del núcleo, está apantallado por la existencia de más electrones internos que en el catión sodio o neón.

.5 Por qué no se toman en cuenta los electrones más externos para calcular la carga nuclear efectiva? El apantallamiento es la disminución de la acción de la carga nuclear debido a las repulsiones entre un determinado electrón y los electrones más internos. El electrón apantallado sufre una carga nuclear efectiva menor que el número atómico, por lo que es menos atraído por el núcleo (Z* Z S). Este efecto no lo tienen los electrones externos sobre uno determinado. TENDENCIAS PERIÓDICAS EN LA ENERGÍA DE INIZACIÓN Y AFINIDAD ELECTRÓNICA.5 En el proceso de formación de los iones aislados que componen la sal común se absorben 7,7 kj mol -. Si la afinidad electrónica del no metal es 8,6 kcal mol - : a) identifica los iones que forman la sal común y escribe el proceso. b) calcula la energía de ionización del metal. a) Na (g) + Cl (g) Na + (g) + Cl (g) Δ 7,7 kj mol b) AE 8,6 (kcal mol ) (kj), (kcal) 8 kjmol + Na (g) + EI Na (g) + e + + Na (g) + Cl(g) Na (g) + Cl Cl(g) + e Cl (g) + AE (g) Δ 7,7 kjmol EI + AE Δ EI Δ AE 7,7 (kjmol ) + 8 (kjmol ) 96 kjmol.5 La longitud de onda crítica para ionizar un átomo de un elemento es de 5 Å. Cuál es la energía de la radiación? Exprésala en J y en ev. Datos. ev,6-9 J; h 6,66 - J s. hc 6,66 (J s), E λ 5 (m) E 7,95 9 8 (m s ) 7,95 (ev) (J),97 ev 9,6 (J) 9 J.5 La energía de ionización del litio es de 5, ev; sin embargo, la calculada teóricamente es de,6 ev. A qué se debe esta discrepancia? En la calculada teóricamente se toma la carga nuclear del litio como la carga real que actúa sobre el electrón del orbital s. Sin embargo, no es así, ya que los electrones del orbital s apantallan la carga nuclear. Si aplicamos las reglas de Slater para calcular la carga nuclear efectiva, tenemos: Z* s Z S,85, La carga nuclear efectiva sobre el último electrón es inferior a Z, por eso la energía que se requiere para extraer este electrón es mucho menor que la esperada.

.5 La primera energía de ionización del azufre es menor que la del fósforo. Basándote en sus configuraciones electrónicas, razónalo. Las respectivas configuraciones electrónicas del fósforo y del azufre son: 5P s s p 6 s p 6S s s p 6 s p En el sistema periódico, el azufre se encuentra a la derecha del fósforo, por lo que su primera energía de ionización debería ser mayor y no menor (la energía de ionización crece al avanzar en un período). Las configuraciones electrónicas con orbitales llenos o semillenos son más estables (están favorecidas energéticamente). El fósforo tiene los tres orbitales de tipo p del subnivel p semillenos y la pérdida de un electrón supone romper esta configuración estable; en cambio, el azufre tiene cuatro electrones en el subnivel p y si pierde un electrón sus orbitales p estarán semillenos, con lo que ganará estabilidad. Por tanto, la energía que se requiere para extraer el último electrón al azufre es menor..55 Dos átomos poseen las siguientes configuraciones electrónicas: s s p 6 s y s s p 6. El primer potencial de ionización de uno es 8 y el del otro 96 kj mol -. Asigna cada valor a cada una de las configuraciones electrónicas, justificando la respuesta. La primera energía de ionización es la energía necesaria para extraer el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, obteniendo así un ion monopositivo gaseoso y un electrón sin energía cinética. El primer elemento cuya configuración electrónica externa es s posee un único electrón en el tercer nivel de energía y su pérdida conduce a un catión estable con configuración electrónica de gas noble. Por esta razón necesitará poca energía, es decir, 96 kj mol -. El segundo elemento posee el octeto completo (configuración electrónica estable de gas noble) y la pérdida de un electrón conducirá a una especie menos estable, de ahí que su energía de ionización sea muy elevada, es decir, 8 kj mol -..56 Sean las configuraciones electrónicas de los átomos neutros: A (s s p 6 s ) B (s s p 6 6p ) razona si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones. a) Se necesita energía para pasar de A a B. b) A y B representan elementos distintos. c) Se requiere menor cantidad de energía para arrancar un electrón de B que de A. a) Verdadero. B es un estado excitado de A en el que el electrón más externo pasa de ocupar un subnivel s a uno 6p que es más energético, por lo que para ello tiene que absorber energía. b) Falso. A y B son átomos neutros. Como tienen el mismo número de electrones (), también tienen el mismo número de protones y su número atómico es el mismo; A y B, por tanto, representan al mismo elemento químico. c) Verdadero. El electrón más externo de B está más alejado del núcleo que el de A; por tanto, hace falta menos energía para extraer el electrón de B que de A. 5

.57 Tiene algo que ver el fenómeno del apantallamiento con que la energía de ionización disminuya al bajar en un grupo? El fenómeno de apantallamiento sí influye en esta disminución. Cuando los electrones de valencia descienden en un grupo se sitúan en capas cada vez más externas, por lo que arrancar uno de estos electrones requiere menos energía. Por otro lado, hay un aumento de la carga nuclear a medida que descendemos en el grupo, pero se ve apantallada porque al ir aumentando las capas aumentan los electrones internos; por esta razón la carga nuclear efectiva que sienten esos electrones de valencia es menor que Z. Si tomamos un grupo del sistema periódico (por ejemplo, el ) y calculamos Z*, observaremos la influencia del apantallamiento sobre el último electrón. Z* Z S [Be]: s s Z s * Z S (,5 +,85),5,95 [Mg]: s s p 6 s Z s * Z S (,5 + 8,85 + ) 9,5,85 [Ca]: s s p 6 s p 6 s Z s * Z S (,5 + 8,85 + ) 7,5,85 [Sr]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s Z 5s * Z S 8 (,5 + 8,85 + 8 ) 8 5,5,85 Cualquiera de los dos electrones del orbital s, s y 5s del Mg, Ca y Sr, respectivamente, siente la misma carga nuclear efectiva, pero al aumentar n aumenta la distancia al núcleo, por lo que es más fácil arrancar el electrón y la energía de ionización es menor. TENDENCIAS PERIÓDICAS EN LA ELECTRNEGATIVIDAD Y REACTIVIDAD.58 Si los halógenos son elementos no metálicos, podrías explicar el lustre o brillo metálico que posee el yodo? El brillo metálico del yodo no se debe a que sea el elemento con menos carácter de no metal (a excepción del astato) de los halógenos, sino a que tiene un coeficiente de absorción muy grande para algunas longitudes de onda del visible. Por esta razón, presenta lo que se denomina color de superficie y la luz que vemos es la que se refleja en la superficie sin haber penetrado prácticamente en el material. Esta reflectividad tan alta para las longitudes de onda que absorbe intensamente hace que muestre un brillo que recuerda al metálico..59 Dados los elementos A, B y C de números atómicos 9, 7 y, respectivamente, indica: a) la configuración electrónica de sus respectivos estados fundamentales. b) el grupo de la tabla periódica a que pertenece cada uno. c) el tipo de enlace formado cuando se unen A y B. Razona la respuesta. d) el tipo de enlace formado cuando se unen entre sí dos átomos de B. Razona la respuesta. a) Puesto que se trata de átomos neutros: n.º de protones n.º de electrones. Para establecer sus configuraciones electrónicas aplicamos el diagrama de Möller: [A]: s s p 6 s p 6 s [B]: s s p 6 s p 5 [C]: s s p 6 s b) Para determinar el grupo de la tabla periódica al que pertenece cada uno, nos fijamos en su configuración electrónica externa. Todos ellos son elementos representativos porque su electrón diferenciador se encuentra en orbitales de tipo s o p. Por tanto: A: pertenece al grupo (metales alcalinos), ya que su configuración electrónica externa es ns. B pertenece al grupo 7, al de los halógenos (ns np 5 ). C: pertenece al grupo, al de los metales alcalinotérreos (ns ). c) La unión de un metal alcalino y un halógeno se produce a través de un enlace iónico. El metal cede un electrón al no metal; de este modo, el primero queda como un catión, y el segundo, como un anión. Los iones formados (A +, B - ) tienen configuración estable de gas noble y se atraen entre ellos por fuerzas electrostáticas. d) La unión de dos átomos del halógeno B se produce cuando se comparten electrones para conseguir completar el octeto (configuración electrónica de gas noble). El enlace es, por tanto, de tipo covalente. 6

.6 De los siguientes metales, cuál reaccionará más violentamente con al agua: litio, potasio, magnesio, cobre, o hierro? Reaccionará más violentamente con el agua el que posea mayor carácter metálico (menor energía de ionización, mayor tendencia a dar electrones). Teniendo en cuenta que el carácter metálico aumenta al movernos hacia la izquierda en un período y al descender en un grupo, el elemento pedido será el potasio..6 Según su estructura electrónica: a) deduce el tipo de enlace que se dará entre el elemento químico de número atómico y el de número atómico 5. b) razona cuál de ellos será más electronegativo y cuál más oxidante. c) indica el número de electrones desapareados que presentarán ambos en su estado fundamental. a) Sus configuraciones electrónicas son: Z, s s p 6 s Z 5, s s p 6 s p 6 s d p 5 El primero es un metal alcalino (ns ), concretamente el sodio, y el segundo es un no metal, concretamente el bromo, que pertenece al grupo de los halógenos (ns np 5 ). El enlace que se dará entre ellos será iónico al perder un electrón el sodio y ganarlo el bromo, y se formarán los iones respectivos, Na + y Br -. Estos iones tienen la configuración electrónica estable de gas noble y su unión conduce a la formación de un compuesto iónico. b) La electronegatividad es la tendencia que posee un átomo a atraer hacia sí los pares electrónicos compartidos en un enlace; y el poder oxidante es la tendencia a capturar electrones. Por tanto, el elemento más electronegativo también será el más oxidante. El bromo será el más electronegativo y con mayor carácter oxidante, ya que es un halógeno y al capturar un electrón adquiere estabilidad. Por el contrario, el sodio consigue esta estabilidad cediendo un electrón. c) Ambos elementos tienen un electrón desapareado. Lo podemos ver en el diagrama orbital: Z Z 5 s s p.6 Basándote en la electronegatividad del cloro, razona si la formación del ion cloruro a partir de cloro es un proceso sencillo. Se formaría este anión si se enfrentase un átomo de cloro a uno de flúor? Por qué? La formación del ion cloruro a partir de cloro sí es un proceso sencillo, ya que el cloro es un elemento muy electronegativo porque si captura un electrón alcanza la configuración electrónica del gas noble argón, el cual tiene una elevada estabilidad. Al enfrentar un átomo de cloro a uno de flúor no se formaría este anión, ya que de hacerlo sería el de flúor el que ganase el electrón porque es más oxidante (mayor tendencia a coger electrones) que el cloro..6 Indica la configuración electrónica de la capa de valencia correspondiente al elemento del grupo 5 situado en el cuarto período. Qué tipo de enlace poseen los óxidos de este elemento? Pertenece al grupo 5, que es el grupo de los nitrogenoideos. Este grupo se caracteriza por una configuración electrónica externa ns np y, si además se encuentra en el cuarto período, la configuración de su capa de valencia es s p. Como al descender en el grupo aumenta el carácter metálico, el nitrógeno y el fósforo son no metales, el arsénico y el antimonio son semimetales, y el bismuto es metal. El arsénico forma óxidos covalentes. 7

.6 Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos que se unen, mayor es el carácter iónico de la sustancia formada. Basándote en las configuraciones electrónicas siguientes s s p 6 ; s s p 5 ; s s p 6 s ; y s s p Discute: a) Cuáles son metales y cuáles no? b) Señala dos elementos que den una sustancia iónica, justificando tu respuesta. c) De todas las especies químicas dadas, cuál es la que posee mayor poder oxidante? a) La primera configuración corresponde a un gas noble (ns np 6 ); la segunda, a un halógeno (ns np 5 ); la tercera, a un metal alcalino (ns ); y la cuarta, a un anfígeno (ns np ). Por tanto, solo la tercera configuración es un metal; las demás son no metales. b) La unión del halógeno (segunda configuración) con el metal alcalino (tercera configuración) dará una sustancia iónica. El halógeno necesita un electrón para adquirir la configuración electrónica estable de gas noble y al metal alcalino le sobra un electrón para conseguir la misma configuración: se intercambian los electrones para formar los iones cuya unión conduce a una sustancia iónica. c) El elemento que más tendencia tiene a coger electrones de los cuatro propuestos (mayor afinidad electrónica) es el halógeno, el flúor..65 La configuración electrónica de un átomo excitado de un elemento es s s p 6 s p 6 5s. Razone cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas y cuáles falsas. a) Pertenece al grupo de los alcalinos. b) Pertenece al período 5 del sistema periódico. c) Tiene carácter metálico. a) Verdadero. Este átomo tiene 9 electrones y como es neutro su Z 9. Si estuviese en su estado fundamental su configuración sería s s p 6 s p 6 s, que correspondería a un metal alcalino. b) Falso. La configuración electrónica de su capa de valencia es s ; como n se encuentra en el cuarto período. c) Verdadero. Se trata de un metal alcalino con solo un electrón de valencia y con baja energía de ionización; por tanto, puede formar fácilmente un catión, propiedad característica de los metales. PRBLEMAS DE SÍNTESIS.66 Los números atómicos de tres elementos A, B y C son, respectivamente,, 9 y 6. a) Identifica dichos elementos y sitúalos en el sistema periódico. b) Indica cuál de ellos posee mayor energía de ionización, electronegatividad y afinidad electrónica. a) Las respectivas configuraciones electrónicas de los elementos A, B y C son: [A]: s s [B]: s s p 5 [C]: s s p 6 s p A es un elemento del segundo período porque su capa de valencia es la y pertenece al grupo de los metales alcalinotérreos (ns ). Se trata del berilio. B es un elemento del segundo período (último nivel que llena el ) y pertenece al grupo de los halógenos (ns np 5 ). Se trata del flúor. C es un elemento del tercer período (n ) y pertenece al grupo de los anfígenos (ns np ). Se trata del azufre. 8

b) La energía de ionización, la electronegatividad y la afinidad electrónica (en valor absoluto) aumentan al avanzar hacia la derecha en un período y al subir en un grupo. Por tanto, de estos tres elementos el que posee los mayores valores de estas tres propiedades es el flúor..67 El cloruro de sodio o sal común es una sustancia iónica formada por el catión sodio y el anión cloruro. a) Indica cuál de los dos iones posee mayor radio, justificando tu respuesta. b) Son ambas especies isoelectrónicas? Razona tu respuesta. a) Las respectivas configuraciones electrónicas del catión sodio y del anión cloruro son: Na + s s p 6 7Cl - s s p 6 s p 6 El ion cloruro tiene mayor radio, ya que, aunque los dos tienen configuración electrónica de gas noble, el cloro tiene una capa más. b) No. El catión sodio tiene electrones (Z ) y el anión cloruro tiene 8 electrones (Z + ). 9

Uniones entre átomos EJERCICIS PRPUESTS. Completa la siguiente tabla, señalando el tipo de enlace que se establece entre los átomos A y B. A B Tipo de enlace e Ne No existe enlace Al Enlace iónico N Enlace covalente Ca S Enlace iónico Ag g Enlace metálico Cl Enlace covalente. Nombra las siguientes sustancias e indica razonadamente el tipo de enlace existente entre sus átomos: N (g), NaF (s), N (g), Mg (s), Cl (g), Fe (s), CaC (s) Poseen enlace covalente las siguientes especies: N (amoníaco), N (nitrógeno), Cl (cloruro de hidrógeno). Poseen enlace iónico: NaF (fluoruro de sodio), Mg (óxido de magnesio). Posee enlace metálico el Fe (hierro). En el CaC (carbonato de calcio) existe enlace iónico entre los iones Ca + y el ion carbonato covalente entre el carbono y el oxígeno de este oxoanión. C y enlace Solamente son moléculas las especies químicas que posean enlaces covalente, ya que las demás forman redes infinitas.. Razona el valor de la electrovalencia de cada uno de los componentes de las siguientes sustancias iónicas: CaBr, KF, Ba, SrS. Datos. Valores de Z: Ca, Br 5, K 9, F 9, Ba 56, 8, Sr 8, S 6 Basándonos en que en los átomos neutros el número de electrones es igual al número de protones y que Z es el número de protones, establecemos las configuraciones electrónicas de los distintos elementos: [Ca]: s s p 6 s p 6 s [Br]: s s p 6 s p 6 s d p 5 [K]: s s p 6 s p 6 s [F]: s s p 5 [Ba]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s []: s s p [Sr]: s s p 6 s p 6 s d p 6 5s [S]: s s p 6 s p La electrovalencia de los elementos alcalinotérreos: Ca, Sr y Ba será +, ya que al perder dos electrones, el ion respectivo formado adquiere la configuración electrónica cerrada del gas noble más próximo; esto le confiere estabilidad. Por la misma razón, el potasio pierde su electrón de valencia y su electrovalencia es +. Los halógenos F y Br capturan un electrón, y proporcionan aniones monovalentes estables que cumplen la regla del octeto; por tanto, la electrovalencia es. Por la misma razón, los anfígenos y S poseen de electrovalencia +.

. Basándote en la configuración electrónica del azufre, razona las electrovalencias que cumplen la regla del octeto. La configuración electrónica del azufre es: [S]: s s p 6 s p Le faltarían dos electrones para alcanzar la configuración del gas noble más próximo, el argón. Así su electrovalencia es. Por otro lado, si pierde los seis electrones de valencia cumplirá también la regla del octeto; en este caso la electrovalencia es +6..5 Determina el número de átomos por unidad cristalina en una red cúbica centrada en las caras. En una red cúbica centrada en las caras, cada ion se rodea de seis iones de signo contrario. El índice de coordinación tanto para el anión como para el catión, para mantener la neutralidad eléctrica, deberá ser (6,6). Tenemos ocho átomos en los vértices del cubo, pero cada uno pertenece a ocho a su vez; por tanto, de ese átomo corresponde 8 del volumen a cada unidad. En las caras tenemos seis átomos, y cada uno pertenece a dos unidades cúbicas; luego a cada uno le pertenece átomos del volumen de cada átomo. Así: Átomos 8 + 6 8 celda unidad 8.6 Dibuja la celda unidad de una sustancia cristalina AB de índice de coordinación (8,8). Un índice de coordinación (8,8) significa que cada ion se rodea de ocho iones del signo contrario. Esto corresponde con una red cúbica centrada en el cuerpo..7 A partir del esquema del ciclo de Born-aber para el fluoruro de sodio: a) Nombra y define las energías implicadas en los diferentes procesos. b) Justifica el signo de dichas energías. c) En función del tamaño de los iones, justifica si la energía reticular del fluoruro de sodio será mayor o menor, en valor absoluto, que la del cloruro de sodio.

a) F : entalpía de formación. Es la energía desprendida en el proceso de formación de un mol de cristal iónico en estado sólido a partir de sus elementos en estado estándar. Al ser una entalpía, el proceso se realiza a presión constante. EI: energía de ionización. Es la energía necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido a un átomo neutro gaseoso y en estado fundamental, y obtener un ion mononegativo gaseoso más un electrón sin energía cinética. Existe una segunda y tercera energía de ionización según el número de electrones eliminados. AE: afinidad electrónica. Es la energía desprendida en el proceso en el que un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental (en este caso el flúor) captura un electrón, transformándose en un ion mononegativo gaseoso. Al igual que la energía de ionización, existe una segunda, tercera, etc. afinidad electrónica, pero estos son procesos energéticamente desfavorables. D : entalpía de disociación. Es la energía necesaria para romper los enlaces existentes en un mol de sustancia, obteniéndose los átomos por separado. U: energía reticular o de red. Es la energía desprendida en el proceso de formación de un mol de cristal iónico sólido a partir de sus iones en estado gaseoso. S : entalpía de sublimación. Es la energía necesaria para transformar un mol de una sustancia del estado sólido al gaseoso (sublimación). b) Los procesos energéticamente favorables son aquellos en los que se desprende energía. Según el criterio de signos, si la energía se desprende, tiene signo negativo, y es positiva si es absorbida. Tendrán signo negativo: AE, U y F (si el cristal, como en este caso, es más estable que los reactivos). Serán positivas: EI, D, y S, ya que son procesos que requieren un aporte de energía. c) Sabiendo que la energía reticular es directamente proporcional al producto de las cargas de los iones e inversamente proporcional a la distancia interiónica, tenemos que la energía reticular del fluoruro de sodio es mayor que la energía reticular del cloruro de sodio. Esto se debe a que las cargas de los iones son iguales en ambos cristales iónicos (+, ); el radio del catión también será el mismo, pero el del ion fluoruro es menor que el radio del ion cloruro y, por tanto, a menor radio del anión, menos distancia y, en consecuencia, mayor energía reticular..8 Razona la veracidad de la siguiente afirmación: Si la afinidad electrónica no es capaz de contrarrestar el potencial de ionización no se formará cristal iónico. Falso. La afinidad electrónica no es suficiente, en general, para contrarrestar el potencial de ionización. El cristal se formará si su entalpía de formación es menor que y esto pasará si la energía desprendida (AE y U) es mayor que la absorbida (EI, S, D )..9 Razona el tipo de enlace que presenta una sustancia A que a temperatura ambiente es sólida, es insoluble en disolventes apolares y no conduce la corriente eléctrica en ningún estado físico. Una sustancia será iónica si es soluble en disolventes polares como el agua y conduce la corriente en disolución o fundida. Mientras que una sustancia es covalente cuando no es soluble en disolvente polares, y no conduce la corriente en ningún estado. Una sustancia metálica conduce siempre la corriente en cualquier estado. Por tanto, la sustancia a es covalente.. rdena razonadamente, de mayor a menor temperatura de fusión, los cloruros de los metales alcalinos. Los cloruros de los metales alcalinos (grupo I) son: LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl. El francio, Fr, no se considera, por ser radioactivo. Al aumentar el tamaño de los iones, disminuye la energía reticular y también las temperaturas de fusión. En todos ellos tenemos el mismo anión, por lo que la temperatura de fusión disminuirá al aumentar el tamaño del catión alcalino; como hemos visto en la unidad anterior, el tamaño aumenta al descender en un grupo. Por tanto: LiCl > NaCl > KCl > RbCl > CsCl.. Por qué la conductividad eléctrica de un metal disminuye al calentarlo? Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética y, por tanto, el movimiento de oscilación de las partículas (cationes), lo que dificulta el movimiento de translación libre de los electrones a lo largo de la red.

. El cobre presenta una distribución de sus cationes en forma de red cúbica centrada en caras o compacta, y el sodio presenta una distribución cúbica centrada en el cuerpo. Cuál de ellos presenta mayor dureza y por qué? A mayor compactación más dureza y mayor punto de fusión. Por tanto, presentará más dureza el cobre que se distribuye en una red cúbica compacta.. bserva los puntos de ebullición de la tabla y razona si los valores son lógicos en relación con la información del ejercico. Sí, a mayor grado de compactación, mayor punto de fusión y mayor dureza.. Por qué se usan cucharas de palo o con mango de plástico para dar vueltas a la comida y no las fabricadas completamente de metal? El metal transmite fácilmente la agitación térmica, pues al tener los electrones móviles pueden ir transmitiendo la energía de unas partículas a otras; así, la agitación llega al otro extremo y nos quemamos la mano. EJERCICIS Y PRBLEMAS NATURALEZA DEL ENLACE QUÍMIC.5 Considera las moléculas siguientes:, F, y N. Contesta razonadamente a cada una de la siguientes cuestiones: a) Cuál presenta el enlace con mayor contribución iónica? b) Cuál presenta el enlace con mayor contribución covalente? a) Un enlace tendrá mayor contribución iónica cuanto mayor diferencia de electronegatividad exista entre los átomos que se unen. Así, el de mayor carácter iónico es el F. b) El de mayor contribución covalente es la molécula de, ya que se unen dos átomos iguales, por lo que compartirán los electrones por igual..6 Justifica la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones: a) Los metales alcalinos no reaccionan con los halógenos. b) Los halógenos reaccionan con la mayoría de los metales, formando sales iónicas. c) En la molécula AgN, todos los enlaces son covalentes. d) Al obtener una amalgama de plata, existe un movimiento de electrones entre el mercurio y la plata, de ahí que se conduzca la corriente eléctrica.

a) Falso. Los elementos se unen con el fin de ser más estables. Esto lo consiguen completando su última capa. Así, los metales alcalinos cederán un electrón al halógeno pasando a tener ambos configuración electrónica de gas noble. Sea M: metal alcalino; G y G : gases nobles y X: halógeno [M] : [G] ns [M + ] : [G] [X] : [G ] ns np 5 [X - ] : [G ] np 6 ns octeto completo b) Verdadero. El metal tiene tendencia a perder electrones formando cationes. El halógeno capturará los electrones cedidos por el primero, formándose un par de iones que se atraen por fuerzas eléctricas generando un cristal iónico. c) Falso. Existe enlace iónico entre los iones Ag + y el ion N, y enlace covalente entre el nitrógeno y el oxígeno de este oxoanión. d) Falso. Es una disolución de plata en mercurio. No existe movimiento de electrones. Si fuese así, uno se oxidaría y el otro se reduciría..7 Para las siguientes especies químicas: F, NaCl, CsF, S, As y Si, explica razonadamente: a) Cuáles tendrán enlaces covalentes puros. b) Cuáles presentan enlaces covalentes polares. c) Cuáles tendrán enlaces iónicos. d) Cuál será el enlace con mayor carácter iónico. Datos. Electronegatividades de Pauling: F,; Na,9; Cl,; Cs,7;,; S,5; As,; Si,8. a) Un enlace covalente es puro si se unen dos átomos de no metales iguales. El único que cumple esta condición es la molécula de flúor: F. b) Se establecen al unirse átomos de no metales distintos. Son S, As y Si. La distinta electronegatividad entre el hidrógeno y el arsénico o silicio es tan pequeña que se suelen considerar como enlaces covalentes apolares. c) El NaCl y CsF, ya que se unen un metal y un no metal, y la diferencia de electronegatividad es tan grande que se forman iones. d) El enlace con mayor carácter iónico es aquel que posee átomos con la mayor diferencia de electronegatividades. Será el CsF, pues presenta una diferencia de electronegatividades de,7,, mientras que la diferencia en el NaCl es,9,..8 Razona el tipo de enlace que predomina en las siguientes sustancias: a) Yoduro de cesio b) Níquel c) Cloruro de calcio d) Trióxido de dicloro a) Enlace iónico. El cesio pierde su electrón más externo formándose el catión Cs + y el yodo lo captura, dando el ion yoduro l -. Ambos iones se atraen por fuerzas de carácter eléctrico. b) Enlace metálico. Los átomos de níquel se unen a través de un gas de electrones formado por los electrones de valencia del metal que son compartidos por todos los restos positivos (cationes) del metal. c) Enlace iónico. El calcio pierde dos electrones formando el ion Ca +, y el cloro acepta estos electrones, dando lugar al ion cloruro Cl -. d) Enlace covalente. Se unen dos átomos no metálicos de electronegatividades parecidas, compartiendo electrones y cumpliendo la regla del octeto.

.9 De las sustancias I, Ca, Xe, relaciona cada una con su curva de energía. Justifica tu elección. La curva a se corresponde con una situación antienlazante. Será la de la especie Xe, ya que el xenón es un gas noble, por lo que no tiene tendencia a formar enlaces. La molécula es más inestable que los átomos por separado. Las dos curvas que se corresponden con una situación enlazante son de las sustancias I y Ca. La distancia internuclear de la molécula de yodo es igual al doble del radio del átomo de yodo, mientras que en el Ca es la suma del radio del catión más el radio del anión que son valores distintos. Así b se corresponde con I y la curva c con Ca. E r at a b c d. Calcula la electrovalencia del titanio y del oxígeno al formar la especie iónica en la que los dos iones cumplen la regla del octeto. Busca información sobre esta sustancia en la siguiente dirección de internet: www.e-sm.net/qbach Tomando en cuenta que el número atómico Z es el número de protones y que en un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones, se establece su configuración electrónica: Z () 8 []: s s p Z (Ti) [Ti]: s s p 6 s p 6 s d Para completar el octeto, el oxígeno ganará dos electrones (electrovalencia ) pasando a tener configuración: [ - ]: s s p 6 [Ne] El titanio perderá, dada su baja electronegatividad, los dos electrones del orbital s y los dos del orbital d, siendo, por tanto, su electrovalencia +. [Ti + ]: s s p 6 s p 6 [Ar]. En las siguientes sustancias hay un ion que no cumple la regla de Kossel. Sabrías decir cuál es? MgF, PbI, Zr, CsCl Se trata del ion Pb + en el PbI. La configuración electrónica del Pb es s s p 6 s p 6 s d p 6 5s d 5p 6 6s f 5d 6p El catión Pb + proviene del átomo de plomo que ha perdido dos electrones del subnivel 6p, por lo que no posee ocho electrones en su capa de valencia y no cumple la regla de Kossel. 5

Enlace iónico. Redes iónicas. En una red iónica. a) Calcula el índice de coordinación para cada ion si la sustancia cristaliza en un sistema cúbico centrado en el cuerpo. Pon un ejemplo de esta sustancia. b) Calcula el número de iones de cada tipo en la celda unidad siguiente. a) El índice de coordinación es el número de iones de igual carga que rodean a otro de carga contraria. Un ejemplo sería el CsCl: el índice de coordinación tanto del anión como del catión es 8. b) El número de iones en la celda unidad es: N.º cationes ion Cs + N.º aniones en una celda existen ocho aniones situados en los vértices del cubo y cada uno pertenece a su vez a ocho celdas distintas, por lo que el número de iones por celda es: 8 ion Cl -. 8. Los átomos A y B tienen las siguientes configuraciones electrónicas: s s p 6 s y s s p 6 s p respectivamente. a) El compuesto que se formará entre A y B, es iónico o covalente? b) Cuál es la fórmula más sencilla del compuesto formado al unirse A y B? a) Basándonos en las configuraciones electrónicas, A es un elemento del tercer período (n ) y del grupo de los alcalinotérreos (ns ). Se trata, por tanto, del metal magnesio. B pertenece también al tercer período y al grupo de los anfígenos. Es el S (no metal). Al ser elementos con una diferencia de electronegatividades mayores a, formarán un enlace de tipo iónico. b) El metal cederá los dos electrones del orbital s, formando el catión Mg + y alcanzando configuración de gas noble [Ne]. El azufre ganará esos dos electrones formando el ion S -, de esta manera también alcanzará la configuración de gas noble [Ar]. La fórmula más sencilla será MgS.. Justifica la veracidad o falsedad de la siguiente afirmación: El enlace iónico no es direccional. Verdadero. El enlace iónico es una interacción electrostática entre cargas de distinto signo que se propagan por definición en todas las direcciones del espacio, de ahí que no sea direccional..5 Dados los elementos A (Z ) y B (Z 5), razona las siguientes cuestiones. a) Qué tipo de enlace se podrá formar entre A y B? b) Cuál será la fórmula del compuesto resultante? a) Mediante sus configuraciones electrónicas: [A]: s s p 6 s p 6 s [B]: s s p 6 s p 6 s d p 5 deducimos que A pertenece al cuarto período y al grupo de los metales alcalinotérreos (ns ); será el calcio. B también pertenece al cuarto período, pero es un halógeno (ns np 5 ); corresponde al bromo. El calcio (metal alcalinotérreo) se une al bromo (no metal), que posee una diferencia de electronegatividad superior a, por lo que el enlace que formarán será iónico. El calcio cederá los dos electrones situados en el orbital s formando el ion Ca +, mientras que el bromo acepta un electrón formando el ion bromuro Br -. De esta manera, ambos iones consiguen configuraciones de gas noble y cumplen la regla del octeto. b) Dado que las sustancias iónicas son eléctricamente neutras, por cada catión divalente Ca + deben existir dos aniones monovalentes Br -. Así, la fórmula empírica es la que indica los elementos que forman la sustancia y la mínima proporción es CaBr, que no es una molécula sino una red infinita. 6

.6 Calcula el índice de coordinación del catión y el anión que constituyen el rutilo (Ti ). xígeno Titanio Sabiendo que el índice de coordinación del catión es el número de aniones que rodean a un mismo catión y el índice de coordinación del anión es el número de cationes que lo rodean, para el rutilo tenemos: IC (Ti + ) 6; IC ( - ) ENERGÍA RETICULAR. CICL DE BRN-ABER.7 Determina la entalpía de sublimación del yodo a partir de los datos siguientes: Δ d (I ) kj mol - ; Δ s (Pb) 78 kj mol - ; Δ f (PbI ) 78 kj mol - ; EI 75,5 kj mol - ; EI,5 kj mol - ; U 8 kj mol - ; AE 95 kj mol - Por el ciclo de Born-aber: F S (Pb) + S (I ) + EI + EI + D + AE + U Sustituyendo los datos y despejando: S (I ) 9 kj mol - Pb (s) + I (s) Δ F Pb I (s) Δ S (Pb) Δ S (I ) Pb (g) + I (g) EI Δ D U Pb + (g) + I (g) EI ΔE Pb + (g) + I _ (g).8 Discute la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones sobre la energía reticular: a) Su valor aumenta con la carga del catión y disminuye con la del anión, ya que esta es negativa. b) Cuanto más negativa es la energía reticular de un compuesto, más favorecida se ve la formación del mismo. c) La energía reticular depende exclusivamente del sistema de cristalización de la sustancia iónica. d) Cuanto mayor sea la energía reticular de un cristal, mayor será su punto de fusión. e) La energía reticular se mide en kj. a) Falso. Aumenta con el valor de la carga del anión y del catión. b) Verdadero. Un compuesto se forma si su entalpía de formación es negativa, y si aplicamos el ciclo de Born- aber a cualquier cristal iónico se ve que las únicas contribuciones menores que son la afinidad electrónica y la energía reticular. Así, cuanto más negativa sea esta última, más fácil es que la entalpía de formación sea menor que. c) Falso. Además de depender de los radios de los iones que definen la red cristalina, es también función de la carga de los mismos. d) Verdadero. Cuanto mayor sea en valor absoluto la energía reticular, más estable es el cristal formado y mayores puntos de fusión y ebullición tendrá, ya que se deben romper enlaces iónicos. e) Falso. La unidad en el S. I. de la energía reticular es J mol -. 7

.9 Calcula la energía reticular del NaCl a partir de los siguientes datos: Δ s (Na) 8,7 kj mol - ; Δ f (NaCl) kj mol - ; EI 9,7 kj mol - ; AE 9, kj mol - ; Δ d (Cl ) kj mol - Compara el valor obtenido con el calculado a través de la ecuación de Born-Landé, sabiendo que para el cristal de cloruro de sodio, A,78, distancia de equilibrio,8 Å y n 9. Por el ciclo de Born-aber: F S + EI + D + AE + U Sustituyendo los datos y despejando U: U 785, kj mol - Na (s) + CI (g) Δ F NaCl Δ S Δ S Na (g) + CI (g) U EI ΔE Na + (g) + CI _ (g) Calculamos el valor de U a partir de la ecuación de Born-Landé: Sustituimos los datos: U NA q Q K A d n ( ),6 9,6 9 U 6, 9 9,78,8 9 U 767, J mol - 767, kj mol -. De las siguientes gráficas, señala cuál se corresponde con el proceso de formación de un cristal estable. E E Elementos ( I ) Cristal Elementos ( II ) iónico Cristal iónico La primera gráfica representa el proceso de formación de un cristal más estable que los elementos de los que proviene, ya que su contenido energético es menor. PRPIEDADES DE LS CMPUESTS IÓNICS. rdena razonadamente, de mayor a menor punto de fusión, los compuestos BaCl, MgCl, SrCl CaCl. Busca una posible explicación para el punto de fusión del dicloruro de berilio (5 ºC) La sustancia que posee una alta energía reticular poseerá también un alto punto de fusión. Sabiendo que la energía reticular aumenta con la carga de los iones y con la disminución de la distancia iónica, tenemos: todas las sales poseen la misma carga del catión (+) y del anión ( ), por lo que la energía reticular solo será función de la distancia iónica. Al ser en todas el mismo anión (Cl - ), la energía reticular será inversamente proporcional al radio catiónico. Todos son cationes de elementos alcalinotérreos. Al bajar en un mismo grupo, el radio iónico aumenta, por lo que la energía reticular seguirá el orden: MgCl > CaCl > SrCl > BaCl En este mismo sentido aumenta el punto de fusión. El dicloruro de berilio tiene un bajo punto de fusión debido a que no es una sustancia iónica sino covalente. A pesar de unirse un metal (Be) y un no metal (Cl), se forma un enlace covalente. 8

. Dadas las sustancias, CCl, RbF, C diamante y CsCl, justifica razonadamente: a) El estado físico en que se halla cada una de ellas a 5 ºC y atm. b) Su conductividad eléctrica. c) Su solubilidad en agua. a) RbF y CsCl son sustancias iónicas, por lo que poseen altos puntos de fusión y se encuentran en estado sólido a 5 ºC y atm. El carbono en forma diamante también será sólido, al ser un sólido covalente que forma redes infinitas. El tetracloruro de carbono es una sustancia molecular. Su estado en las condiciones indicadas es líquido. b) Solamente conducen la corriente eléctrica el fluoruro de rubidio y el cloruro de cesio fundidos o en disolución acuosa. c) Las dos sustancias iónicas indicadas son solubles en disolvente polares como el agua.. Indica cuáles de las propiedades siguientes se corresponden con una sustancia iónica: a) La transmisión de la corriente eléctrica va acompañada de transporte de materia. b) No es soluble en disolventes apolares, pero tampoco en agua. c) A temperatura ambiente es un sólido duro, pero frágil. d) Se dilata con facilidad. e) La electrólisis de sus sales disueltas o fundidas permite la obtención de metales. a) Verdadero, ya que la corriente se transmite por movimiento de los iones. b) Falso. En general, sí son solubles en agua. c) Verdadero, ya que presentan alta resistencia a ser rayados (duros) pero escasa a los golpes (frágiles). d) Falso, ya que supondría debilitar enlaces iónicos. e) Verdadero. El catión captura electrones obteniéndose el metal.. Dadas las sustancias Br, Si, Ni, F y NaBr, justifica: a) Si son o no solubles en agua. b) Si conducen la corriente eléctrica a temperatura ambiente. c) Si tienen elevados puntos de fusión. a) Son solubles F y NaBr, ya que una es una sustancia covalente polar (F) y el bromuro de sodio es una sustancia iónica. El níquel es un metal, por lo que no se disuelve. El bromo es covalente apolar y el dióxido de silicio es un sólido covalente. b) Únicamente el níquel conducirá la corriente eléctrica, ya que la sustancia iónica a esa temperatura es sólida y, por tanto, aislante. c) Tienen puntos de fusión elevados: Si, Ni y NaBr..5 Uno de los siguientes haluros no es soluble en agua: CaI, LiF, LiI, NaCl, CsF, LiCl, LiBr Sabrías decir cuál es y justificar este comportamiento? Una sustancia iónica se disuelve si la entalpía de solvatación es mayor que la energía de red (ambas en valor absoluto). Además la energía reticular aumenta con la carga de los iones y con la disminución de la distancia interiónica. MX (s) Δ disolución M + (aq) + X _ (aq) _ U Δ solu. (M + ) Δ solu. (X _ ) M + (g) + X _ (g) 9

Por la ley de ess: disolución -U + solv (M + ) + solv (X - ) Se disuelve si disolución < Por tanto, cuanto más negativa sea la entalpía de solvatación, solv., más soluble será, y cuanto menor sea la energía reticular en valor absoluto, más fácilmente se disolverá. La energía reticular depende de las cargas de los iones, que en nuestras sustancias son iguales, y de la distancia interiónica. Así, el de menor distancia es el LiF, ya que en él el radio del anión y el radio del catión son los más pequeños. Si solo existe una sustancia insoluble, tendrá que ser esta sal..6 Justifica razonadamente el aumento observado en la dureza de los óxidos de los metales alcalinotérreos al ascender en el grupo: Compuesto Dureza Ba, Sr,5 Ca,5 Mg 6,5 Be 9, La dureza es la resistencia a ser rayado y aumenta con la energía reticular. Esta sigue el siguiente orden: U Ba < U Sr < U Ca < U Mg < U Be ya que es en este sentido en el que disminuye la distancia interiónica. A mayor energía reticular, más difícil de rayar, ya que esto supondría la ruptura de enlaces iónicos..7 Basándote en la siguiente tabla, justifica cuáles de las sustancias son sólidos iónicos y, de ellas, cuál crees que será más soluble en agua. Compuesto PF (ºC) Conductor Sólido Líquido Ag 85 Sí Sí Mg 85 No Sí P No No Ge 5 No No NaCl 8 No Sí Son sólidos iónicos el Mg y el NaCl, ya que poseen altos puntos de fusión y solamente conducen la electricidad en estado líquido. De los dos, se espera que sea más soluble el cloruro de sodio, ya que la solubilidad aumenta cuanto menor es la energía reticular: disolución U + solv (M + ) + solv (X - ) Se disuelve si: disolución < Un valor alto de energía reticular desfavorece la disolución y sabemos que depende de la carga de los iones y de la distancia interiónica. En el Mg la carga tanto del catión como del anión es el doble que la del NaCl. Además, la distancia interiónica es menor también, por lo que es de esperar que el Mg sea menos soluble que el NaCl. 5

.8 De las sustancias azufre, bromuro de sodio, dicloruro de azufre, oro y dióxido de silicio, elige: las que forman estructuras gigantes; las que conducen la corriente eléctrica solamente en estado líquido y las que poseen altos puntos de fusión y ebullición. Son las sustancias iónicas las que cumplen todas esas propiedades. De todas, la única que posee enlace iónico es el bromuro de sodio. LS METALES Y SUS PRPIEDADES.9 Indica si las afirmaciones siguientes son correctas: a) El cobre es iónico porque conduce la corriente eléctrica. b) Los metales son tenaces. c) Los metales son quebradizos, por eso se parten en láminas. d) En un cristal iónico y en una red metálica, los electrones no se mueven. a) Falso, es metálico. Pueden conducir la corriente eléctrica los metales y los compuestos iónicos, pero estos solo fundidos o en disolución. b) Verdadero, porque al hacer presión no se modifica la estructura sustancialmente; no se enfrentan cargas como pasa en los compuestos iónicos. c) Falso. Los compuestos iónicos son quebradizos, pero los metálicos no. d) Falso. En la red metálica los electrones se mueven por toda la nube electrónica; en los compuestos iónicos son iones negativos los que están en posiciones estructurales con los positivos. Presión Presión. El cloruro de sodio cristaliza en cubos, al igual que hacen algunos metales. Qué diferencia estructural existe entre la situación de las cargas en un cristal de cloruro sódico y uno de un metal, como el oro, que presente una estructura cúbica? En el cristal iónico la estructura la construyen los iones positivos y negativos, mientras que en el metálico la estructura se construye con los cationes y los electrones. Son partículas móviles en la red. 5

. Indica, de las dos afirmaciones siguientes, cuál es la opción correcta, y justifica tu elección: a) Si una sustancia conduce la corriente eléctrica, será una sustancia metálica. b) Si una sustancia sólida conduce la corriente eléctrica, será un metal. a) Es falsa, pues los sólidos iónicos también conducen la electricidad cuando están disueltos o fundidos. b) Es verdadera, pues especifica que está en entado sólido.. El aluminio es un metal muy codiciado por su bajo peso (es el componente del papel de aluminio conocido como papel de plata con el que envolvemos los bocadillos). Qué propiedad posee el aluminio para que pueda adquirir esta forma? El aluminio, como todos los metales, es maleable, esto es, se puede moldear en forma de láminas como el rollo de papel.. Muchos de los trajes típicos de España, como los de la Comunidad Valenciana, se confeccionan con hilos de oro finísimos. Cómo es posible que se obtengan hilos tan finos como para poder coserlos? Explica la propiedad que permite este hecho, ayudándote de un dibujo-esquema de la situación a nivel microscópico. El oro, como todos los metales, es dúctil, esto es, se puede estirar en forma de hilos. Esto es posible porque cuando ejercemos una presión sobre el sólido se desplazan los iones positivos de la estructura, pero siguen encontrando una situación semejante, sin repulsiones.. Normalmente, casi todos los metales tienen un brillo metálico característico. Indica: a) A qué se deben estos destellos de luz? b) Si no reluce, por qué crees que le pasa esto al metal? c) Al intentar sacarle brillo o aplicar limpiadores, qué le estamos haciendo al metal? a) El brillo típico de los metales se debe a que captan y emiten fácilmente las radiaciones electromagnéticas. b) Tiene una capa en la superficie que le impide absorber y emitir fácilmente las radiaciones; normalmente esa capa es óxido (por ejemplo, el caso del oscurecimiento de la plata) o se debe al engrase que sufren cuando los tocamos. c) Eliminamos la capa de óxido con productos químicos o la capa de grasa sacando brillo con un trapo..5 Casi todos los metales muestran un color semejante al de la plata, casi blanquecino. Sabiendo que el color y el brillo se deben a la fácil absorción y emisión de energía, indica: a) Por qué el color se acerca tanto al blanco? b) bserva un anillo de oro. Qué color presenta cuando incide la luz? Por qué se produce esta diferencia de coloración con la plata? a) Como absorbe y emite fácilmente la radiación, absorbe y emite todos los colores, por lo que veo una luz casi blanquecina (típica de los metales plateados). b) El oro no absorbe ni emite la misma luz; al reemitirla se pierde color azul, que es el complementario del amarillo, que sí se emite de nuevo..6 Basándote en si conducen o no la electricidad, qué tres tipos de sustancias conoces? Pon un ejemplo de cada una y menciona una aplicación que se derive de esa propiedad. Conductores, como, por ejemplo, el hierro, semiconductores como el germanio y aislantes como el helio. 5

.7 El sodio recién cortado tiene brillo metálico, pero, al cabo de un tiempo, se vuelve blanquecino: a) A qué crees que se debe este hecho? b) Escribe la ecuación que ocurre. c) Qué tipo de compuesto se ha formado? d) Para que no se estropee, se guarda sobre un líquido. Es agua? Por qué? Qué líquido sería óptimo para conservarlo? a) Reacciona con el oxígeno del aire para dar óxido de sodio, más oscuro, y forma una capa. b) Na (s) + (g) Na (s) c) Iónico. d) Tolueno o benceno. Nunca se podría conservar en agua, pues reacciona con ella de forma muy violenta y explosiva..8 Por qué los metales son mejores conductores de la electricidad que los compuestos iónicos? Los electrones del metal son móviles, mientras que los compuestos iónicos hay que fundirlos o disolverlos para que posean cargas móviles, que serán, en todo caso, más grandes y difíciles de desplazarse que los electrones..9 En la siguiente tabla se recogen algunas propiedades de ciertas sustancias. Propiedad A B Punto de fusión Variable Alto Conductividad eléctrica de la sustancia pura Sí En estado fundido Solubilidad en CCl No No Solubilidad en agua No Sí a) Basándote en ellas, clasifica las sustancias según su tipo de enlace. b) Pon un ejemplo de cada tipo de sustancia. a) La sustancia A es un metal y la B es un sólido iónico. b) A: Fe; B: NaCl..5 Dentro de la teoría de bandas, existen dos tipos de bandas: a) Indica el nombre de cada una. b) Explica con pocas palabras qué diferencia existe entre ambas bandas. a) Banda de valencia y banda de conducción. b) La banda de valencia es la última capa completa. La banda de conducción es una banda semillena con movilidad de electrones en ella o bien una banda vacía que solapa con la de valencia y permite la movilidad de los electrones. 5

.5 Entre las siguientes sustancias hay sustancias iónicas, covalentes y metálicas: nitrógeno gas, fluorita, agua, cobre, sal común, iridio, diamante, cuarzo. a) Clasifícalas según ese criterio. Puedes ayudarte visitando la página siguiente: www.e-sm.netqbach5 b) En esta página encontrarás un modelo interactivo de enlace metálico. Qué te llama la atención respecto a los electrones? c) Prueba a deformarlo con el modelo y explica por qué serán tenaces los metales. d) Prueba también el modelo interactivo de enlace iónico y contesta a las preguntas del modelo. a) El nitrógeno es una sustancia molecular covalente; la fluorita, un sólido iónico; el agua, una sustancia covalente molecular; el cobre es un metal; el cloruro de sodio (sal común) es un compuesto iónico; el iridio, un metal; el diamante, un sólido covalente que forma redes; y el cuarzo también es un sólido que forma redes covalentes. b) Los electrones son capaces de desplazarse por toda la red. c) Los metales son tenaces por el comportamiento que tienen los electrones; se comportan como un gas o una nube de electrones, de tal manera que un golpe brusco no provoca enfrentamiento de cargas opuestas ni, por tanto, repulsiones. La estructura podrá deformarse sin romperse. d) Soluciones: electrón/ ceder/ 7 electrones/ tomar/ enlace iónico. 5

PRBLEMAS DE SÍNTESIS.5 Dados los elementos A y B de la tabla periódica, con números atómicos 5 y 7 respectivamente: a) Escribe sus configuraciones electrónicas. b) Indica razonadamente a qué grupo y período pertenecen. c) Indica razonadamente cuál es el elemento de mayor afinidad electrónica. d) Indica razonadamente el tipo de enlace y la fórmula del compuesto formado entre ambos. e) El compuesto formado, conducirá la electricidad? En qué condiciones? f) En qué tipo de disolventes será soluble? Razona tu respuesta. g) Cómo serán sus puntos de fusión y ebullición? Razona tu respuesta. h) Será duro? Razona tu respuesta. i) Qué compuestos formará B consigo mismo? j) Cuál será más conductor, AB o A? a) Z 5 s s p 6 s p 6 s d p 5 Z 7 s s p 6 s p 6 s d p 6 5s b) El elemento A (Z 5), pertenece al grupo 7 (VII A) y al tercer período. Es el bromo. El elemento B (Z 7), pertenece al grupo (I A) y al período 5. Es el rubidio. c) La afinidad electrónica crece hacia la izquierda en los períodos y hacia arriba en los grupos del sistema periódico, luego el elemento A, el bromo, tendrá una mayor afinidad electrónica. d) El elemento A y el elemento B tendrán electronegatividades muy diferentes; por tanto, darán lugar a un enlace iónico y la fórmula del compuesto formado sería BA. e) Solo conducirá la electricidad disuelto o fundido porque entonces existirá movilidad de cargas. f) Será soluble en disolventes polares como el agua, debido a la existencia de interacciones ion-dipolo. g) Tendrá altos puntos de fusión y ebullición, como corresponde a un compuesto iónico. h) Son duros, es decir, difíciles de rayar, porque supondría la ruptura, mediante presión, de algunos enlaces iónicos. i) Enlace metálico. j) Será más conductor el elemento A, pues es un metal y, por tanto, en estado sólido posee electrones móviles. 55

Enlace covalente EJERCICIS PRPUESTS. Discute la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones: a) La covalencia del nitrógeno es, por lo que no puede existir una especie tipo NX. b) Al acercar dos átomos se producen interacciones que conducen a la formación de una molécula. a) Falso. Se puede formar un enlace covalente dativo, en el que el par de electrones libres del nitrógeno, forman enlace con otro átomo que posee orbitales vacíos. b) Falso. En algunos casos, se alcanzará un mínimo de energía, lo que lleva a la formación de una molécula, por ejemplo,. Sin embargo, en otros casos al aproximar los átomos las fuerzas repulsivas son mayores que las atractivas y no se forma la molécula, por ejemplo, e.. Las gráficas representan la energía del sistema frente a la distancia internuclear. Indica cuál de las curvas se corresponde con la formación de : Ne, Cl y N. Ne Se corresponde con una situación antienlazante. Al aproximar los átomos, la energía del sistema aumenta indefinidamente. Es la curva. N y Cl Al aproximar los átomos se alcanza un mínimo de energía, ya que se forman ambas moléculas. Dado que en el nitrógeno existe un enlace triple, y en el cloro, uno sencillo, la molécula de nitrógeno será más estable que la del halógeno. Así, el N se corresponde con la curva, y el Cl, con la. E. Discute la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones: a) La energía necesaria para romper un enlace de tipo π es menor que la de uno de tipo σ. b) El contenido energético del híbrido de resonancia del benceno es igual al de las estructuras de Kekulé. a) Verdadero. Al ser el solapamiento lateral menos efectivo que el frontal, el enlace π es menos energético que el σ. b) Falso. El híbrido de resonancia posee menor contenido energético que cualquiera de las formas canónicas.. Discute la veracidad de la siguiente afirmación: Una molécula apolar es aquella en la que los momentos dipolares de sus enlaces son nulos. Justifica tu repuesta con un ejemplo. Falso. Existen moléculas apolares con momentos dipolares de sus enlaces no nulos, pero cuya suma vectorial da, por ejemplo, CCl Cl μ + μ + μ + μ μ C μ μ Cl Cl μ Cl 56

.5 La molécula de tetracloruro de carbono posee geometría tetraédrica. Se trata de una molécula polar? Y la de cloroformo, CCl? La molécula de tetracloruro de carbono, CCl, es apolar, ya que todos sus enlaces poseen el mismo módulo del momento bipolar y, por su geometría, la suma vectorial de todos es nula. En el cloroformo, CCl, no todos los enlaces son iguales, por lo que los momentos dipolares no se anulan; por tanto, la molécula es polar..6 Predice la geometría molecular de las siguientes especies químicas: -, N, N - y N +. Todos los átomos se unen con el fin de ser más estables, lo que significa, salvo excepciones, cumplir la regla del octeto. Teniendo en cuenta que el número de electrones de valencia del hidrógeno es ; del oxígeno, 6, y del nitrógeno, 5, se sabe que sus covalencias son respectivamente, y. Basándonos en la teoría de RPECV: Las zonas de mayor densidad electrónica se sitúan alrededor del átomo central de manera que se minimicen las repulsiones; en nuestro caso en un tetraedro. La geometría molecular es la disposición espacial de los distintos núcleos atómicos, no tomando en cuenta los electrones libres. Así, el ion oxonio y el amoníaco, presentan geometría de pirámide triangular, el ion amonio, tetraédrica, y el ion amiduro, angular: + + N N N _ Ión oxonio Amoniaco Ión amonio Ión amiduro.7 Las moléculas de seleniuro de hidrógeno y de agua responden a la misma fórmula molecular ( X) Significa esto que poseen la misma geometría e iguales ángulos de enlace? El Se y el pertenecen al mismo grupo del sistema periódico, por lo que poseerán la misma configuración electrónica externa: ns np (covalencia ). La geometría que minimiza las repulsiones de las nubes electrónicas es la tetraédrica; existen dos pares de electrones libres, la geometría molecular es la misma en ambos y se corresponde con una estructura plana angular. Los ángulos de enlace serán distintos, ya que la capa de valencia del Se está más alejada del núcleo que la del y, además, el selenio es menos electronegativo que este. Por ello, los electrones son atraídos con menor fuerza y ocupan más espacio, lo que cierra más el ángulo Se. Se ( Se) ( ) 57

.8 Dadas las moléculas CS, CCl, Cl y P : a) Representa la estructura electrónica de Lewis de cada una de ellas. b) Predice su geometría molecular. c) Señala en cada caso si la molécula tiene o no momento bipolar. d) Qué hibridación presenta el átomo central de las moléculas CCl y P? Datos. Z (), Z (C) 6, Z () 8, Z (P) 5, Z (S) 6, Z (Cl) 7. a) Dado que los átomos se unen con el fin de ser electrónicamente estables, lo que consiguen completando su última capa, sabemos que la covalencia del C es, del S y es, del Cl es y del N es. Así, las estructuras de Lewis son: S C S ; Cl C Cl Cl ; Cl Cl ; (CS ) (CCl ) (Cl ) P (P ) Según la teoría de RPECV, el CS (molécula del tipo AX ) presenta geometría lineal; el CCl (molécula del tipo AX ) presenta geometría tetraédrica con distintos ángulos de enlace, ya que existen tres átomos de cloro y uno de hidrógeno; la molécula Cl (molécula del tipo AX, con dos pares de electrones libres) presenta geometría angular y el P (molécula tipo AX con un par de electrones libres) tiene geometría de pirámide trigonal. b) Dada su geometría, la molécula de CS es apolar, mientras que las otras tres son polares. c) En el CCl, el átomo de carbono presenta hibridación sp, al igual que el átomo de fósforo en la fosfina..9 Sabiendo que el boro es el primer elemento del grupo del sistema periódico, contesta razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La configuración electrónica del boro le permite establecer tres enlaces covalentes. b) El átomo de boro en el B tiene un par de electrones de valencia. a) Verdadero. Dada la situación del boro en el sistema periódico, su configuración electrónica es: s s p. Según esta, su covalencia debería ser ; sin embargo, es. Esto se debe a que uno de los electrones del orbital s promociona al p; existen así tres electrones desapareados. b) Falso. El boro forma tres enlaces covalentes, por lo que posee tres electrones de valencia.. Presenta el átomo de fósforo la misma hibridación en las moléculas PCl y PCl 5? Justifica tu respuesta. No. La configuración electrónica del átomo de P es: s s p 6 s p, por lo que su covalencia debería ser. Esto es lo que sucede en el PCl. En esta molécula la hibridación del fósforo es del tipo sp. Sin embargo, en la molécula PCl 5, uno de los electrones del orbital s pasa al d más próximo en energía; existen así 5 electrones desapareados, de ahí que su covalencia sea 5. Ahora se combinan un orbital s, tres orbitales tipo p y un orbital tipo d, proporcionando una hibridación sp d.. Indica, razonándolo, si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Las fuerzas de Van der Waals se dan exclusivamente entre moléculas polares. b) El enlace de hidrógeno presente entre las moléculas de metano permite explicar que sea gaseoso a temperatura ambiente. a) Falso. Las fuerzas de Van der Waals de tipo London se establecen entre moléculas apolares. b) Falso. Para que se produzca puente de hidrógeno, el átomo de hidrógeno debe ir unido a un átomo más electronegativo que él y con pares de electrones libres. En la molécula de metano, el carbono ni posee pares de electrones libres, ni su electronegatividad es muy diferente a la del hidrógeno, por lo que no presenta puentes de hidrógeno. 58

. Sabiendo que las energías de enlace de los halógenos cloro y bromo son, respectivamente, 9 y 9 kj mol -, cómo explicas que la temperatura de fusión del bromo sea mayor? La temperatura de fusión es aquella para la cual una sustancia pasa del estado sólido al líquido. En dicho cambio de estado no se rompen los enlaces covalentes Cl Cl, ni Br Br, cuyas energías son 9 y 9 kj mol -, sino las fuerzas de tipo London. Dado que estas últimas crecen con la masa molecular, el punto de fusión del bromo es mayor que el del cloro.. Discute la veracidad de la siguiente afirmación: El punto de ebullición del,-etanodiol es superior al del etanol. La molécula de etanol únicamente puede formar un puente de hidrógeno, mientras que la de,-etanodiol puede formar hasta dos por molécula. Esto explica que la temperatura de ebullición del etanol sea 79 ºC, mientras que la del diol es de 96 ºC.. Entre las sustancias F, Si, C, I y NaCl, identifica, de forma razonada: a) Un gas formado por moléculas tetraédricas. b) Compuestos solubles en tetracloruro de carbono. c) Una sustancia que presenta interacciones por puente de hidrógeno. d) Sustancias sólidas a temperatura ambiente. a) Es el C, molécula del tipo AX, cuya geometría según la teoría de RPECV es la tetraédrica. Dado que los cuatro enlaces son iguales, se trata de un tetraedro perfecto. b) Son solubles en tetracloruro de carbono las moléculas apolares, esto es, C y I. c) Únicamente el F puede formar puentes de hidrógeno al poseer un átomo de hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo y que además posee pares de electrones libres. 8º d) Son sólidos a tempeatura ambiente: Si, I y NaCl F F º F.5 Podrías justificar por qué el dióxido de silicio es sólido mientras que el de carbono es gas? Sí. El C es una sustancia molecular en la que únicamente se pueden dar fuerzas de dispersión. Mientras que el Si es un sólido covalente..6 Discute la veracidad o falsedad de la siguiente afirmación: El cloro de masa molar 7,8 g mol - es gaseoso a temperatura ambiente, mientras que el dióxido de silicio, de menor masa, es sólido. Esto se debe a las fuerzas de Van der Waals existentes entre las moléculas de dióxido de silicio. Falso. Se debe a que el Si es un sólido covalente. El silicio se rodea de cuatro átomos de oxígeno, uniéndose por enlaces covalentes y proporcionando redes infinitas....... Si Si......... 59

.7 Dos de las cuatro formas cristalinas del carbono son: grafito y diamante. Podrías explicar por qué el grafito conduce la corriente eléctrica? Si lo necesitas, puedes buscar información en la dirección: www.e-sm.net/qbach8 Se debe a que la hibridación del carbono es distinta. En el diamante es de tipo sp y forma una red infinita en la que los cuatros átomos de carbono se unen por enlaces tipo σ. En el grafito la hibridación del carbono es sp, quedando un orbital p semiocupado perpendicular a la estructura. Este, por solapamiento lateral, forma un sistema de enlaces π deslocalizados por toda la estructura. Esta es la razón por la cual es conductor. Solapamiento lateral de orbitales p dando enlaces π deslocalizados Solapamiento sp _ sp (enlace σ).8 De los tres posibles ácidos hidroxibenzoicos, solo uno presenta propiedades antiinflamatorias, empleándose en la síntesis de la aspirina. Identifícalo. Es el ácido o-hidroxibenzoico o ácido salicílico. C.9 Uno de los ácidos del ejercicio anterior posee un punto de fusión muy inferior al de los otros dos. Explica este hecho. 5. 5 Tf (ºC) rto Meta Para El ácido salicílico forma puentes de hidrógeno intramoleculares, de ahí que su punto de fusión (59 ºC) sea inferior al del isómero meta ( ºC) o para ( ºC). Estos últimos forman puentes intermoleculares, que hay que romper para fundir la sustancia. Establece la estructura de Lewis del dióxido de carbono. Calcula la carga formal y el número de oxidación de cada átomo. Dadas las configuraciones del carbono y del oxígeno sus covalencias son y, respectivamente, por lo que el carbono formará un enlace σ y uno π con cada átomo de oxígeno. Sabiendo que la carga formal (CF) es: CF n.º de e - de valencia (n.º de enlaces + n.º e - valencia no compartidos) CF (C): ( + ) CF (): 6 ( + ) Mientras que el número de oxidación es: N.º oxidación (C): ( + ) N.º oxidación (): 6 ( + ) C 6

. En las estructuras de Lewis, podría ir un átomo de bromo en el centro de las mismas? Dónde colocarías un átomo de hidrógeno o un halógeno? Razona tus respuestas. No, ya que la covalencia del bromo es y, por tanto, solamente podrá formar un enlace covalente. Por esta misma razón, el hidrógeno o cualquier otro halógeno se debe colocar en los extremos y nunca en el centro.. Realiza las estructuras de Lewis de la fosfina, el metanol y el ácido sulfúrico. Existe algún átomo en ellas que no cumpla la regla del octeto? Basándonos en las configuraciones electrónicas: P : [ P ]: s s p 6 s p Covalencia [ ]: s Covalencia C : [ C ]: s s p Covalencia [ ]: s s p Covalencia [ ]: s Covalencia S : [ S ]: s s p 6 s p Covalencia [ ]: s s p Covalencia [ ]: s Covalencia P (P ) S ( S ) C (C ) El azufre viola la regla del octeto al poseer electrones en su capa de valencia; esto se debe a que el tercer nivel de energía posee orbitales d próximos. Esta es la razón por la cual se pueden albergar más de ocho electrones (expansión del octeto).. Dibuja las estructuras de Lewis de los oxoácidos del cloro. Existe alguna relación entre la carga formal del cloro y la acidez del oxoácido? El cloro es capaz de formar cuatro oxoácidos, que contienen hidrógeno, cloro y oxígeno. [ ]: s Covalencia [ Cl ]: s s p 6 s p 5 Covalencia [ ]: s s p Covalencia Cl ; Cl ; Cl ; Cl Ácido hipocloroso Ácido cloroso Ácido clórico Ácido perclórico (Cl) (Cl ) (Cl ) (Cl ) Ácido hipocloroso (Cl): CF (Cl) 7 ( + 6) ; Ácido cloroso (Cl ) : CF (Cl) 7 ( + ) ; Ácido clórico (Cl ): CF(Cl) 7 ( + ) ; Ácido perclórico (Cl ): CF(Cl) 7 ( + ) Cuanto mayor es la carga formal del cloro, con más fuerza atrae este a los electrones de los átomos de oxígeno unidos a él; lo que debilita el enlace -, siendo más fácil romperlo. Al ser el oxígeno más electronegativo, se quedará con el par de enlace, perdiéndose el hidrógeno como +. Cl, Cl, Cl, Cl aumenta la acidez 6

EJERCICIS Y PRBLEMAS ENLACES CVALENTES. PARÁMETRS MLECULARES. Tres elementos A, B y C forman, al unirse entre ellos, tres moléculas diatómicas, cuyas energías de enlace son, respectivamente: 9, 9 y 9 kj mol -. Sabiendo que una de ellas posee un enlace triple, otra doble y otra sencillo, razona: a) Cuál de ellas no posee enlace múltiple? b) Si sus longitudes de enlace son, y pm, respectivamente, cuál se corresponde con la especie B? Cuál con A? a) Sabiendo que la fortaleza de los enlaces aumenta con la multiplicidad, hará falta más energía para romper un enlace triple que uno doble y este más que uno sencillo. Así, la molécula A, cuya energía de enlace es la menor, corresponde con el enlace sencillo. b) A mayor multiplicidad, menor longitud de enlace. Así, la A, será la que posea mayor longitud de enlace ( pm) y, dado que la energía de B es la mayor, su enlace será el más corto ( pm)..5 Basándote en las covalencias de los diferentes átomos que forman la molécula, razona cuál de las siguientes presentará un comportamiento paramagnético: bromo, nitrógeno, cianuro de hidrógeno y monóxido de nitrógeno. [ ]: [ Ar] [ N ]: s s p Covalencia Br s d p 5 Covalencia [ ]: s Covalencia [ C ]: s s p Covalencia [ ]: s s p Covalencia Las estructuras de Lewis son: Br Br N N C N Únicamente el N posee un electrón desapareado, por lo que será una sustancia paramagnética. N (Br ) (N ) (CN) (N).6 Dadas las siguientes sustancias: CS (lineal), CN (lineal), N (piramidal) y (angular) Justifica la polaridad de cada una de ellas. Basándonos en sus estructuras de Lewis y en que al unirse dos átomos de distinta electronegatividad el enlace es polar: CS Presenta dos enlaces covalentes dobles SC polares pero, dada la simetría de la molécula, esta es apolar: μ total CN Los momentos dipolares no se anulan; la molécula es polar: μ total N Los momentos dipolares tampoco se anulan; será una molécula polar: μ total Molécula polar; no se anulan los momentos dipolares: μ total μ μ S C S (CS ) μ μ μ μ N μ (N ) ( ) μ C μ (CN) N 6

.7 El dicloroeteno, ClCCCl, presenta dos isómeros geométricos. Cuál de ellos posee momento dipolar no nulo? Justifica tu respuesta. Cl μ C C Cl μ Cl C C Cl Isómero cis μ Total MLÉCULA PLAR Isómero trans μ Total MLÉCULA APLAR.8 La sustitución de cada uno de los hidrógenos del metano, C, por flúor, conduce a otras cuatro sustancias. Indica: a) Cuáles son apolares. b) Cuáles presentan enlaces covalente polares. Las sustancias son: C, C F, C F, CF, CF a) Todas son moléculas tetraédricas y las apolares son C y CF, ya que las demás presentan enlaces polares cuyos momentos dipolares no se anulan. b) Todas poseen enlaces covalentes polares; aunque la distinta electronegatividad entre el carbono y el hidrógeno es menor que la del carbono y el flúor..9 En las siguientes moléculas covalentes, señala los enlaces de tipo σ y los de tipo π. Dibuja la molécula de cianuro de hidrógeno de forma que se aprecien los solapamientos frontales y laterales. a) σ π σ C C σ C σ π C σ C C σ σ b) π σ c) C σ C σ C σ π π C N σ Dibuja la molécula de cianuro de hidrógeno de forma que se aprecien los solapamientos frontales y laterales σ C σ π N π. Discute la veracidad de la siguiente afirmación: Un enlace covalente X- posee la misma longitud de enlace que un enlace de hidrógeno entre ambas especies, ya que los átomos son iguales en ambos casos, no variando, por tanto, la electronegatividad. Falso. Será menor, ya que la fortaleza del enlace covalente es mayor que la del puente de hidrógeno, por lo que los electrones de enlace son atraídos con más fuerza, disminuyendo su longitud. Mayor C Menor 6

. La formación del ácido sulfúrico supone la reacción del agua con trióxido de azufre. El agua ataca al S a la vez que uno de los hidrógenos de la misma migra, en forma de protón, a uno de los átomos de oxígeno contiguos. El proceso es: S + S S Representa este proceso en función de las estructuras de Lewis e indica los tipos de enlace existentes. Teniendo en cuenta las configuraciones electrónicas: [ S] : [ Ne] s p Covalencia. [ ] : [ e] s p Covalencia. S + S S En el S, existe un enlace doble S y dos enlaces covalentes dativos S- en los que el par de electrones de enlace es aportado por el azufre. En el agua hay dos enlaces sencillos -. En el S, existen cinco enlaces dativos: uno - y los demás S-. De estos cuatro últimos, solamente en uno de los casos el par de electrones de enlace lo aporta el oxígeno. GEMETRÍA MLECULAR. IBRIDACIÓN DE RBITALES. El amoníaco en disolución acuosa forma el hidróxido de amonio. Este hidróxido actúa como base, cediendo iones hidroxilo al medio: + N + N + a) Dibuja las estructuras de Lewis de todas las especies químicas. b) Qué geometría presentan las moléculas? Y los iones? c) Presenta alguna de la especies un enlace covalente dativo? a) + _ N ; ; N ; (N ) (( ) (N + ) ( _ ) b) La molécula de N posee una geometría de pirámide trigonal; el, angular; el -, lineal + + N, tetraédrica, y el N Ión amonio c) Sí, el ion amonio. El par de electrones es cedido por el nitrógeno. 6

. Aplicando la teoría de los pares de electrones de la capa de valencia, determina la geometría de las siguientes moléculas: a) CF, NF y BF b) Razona, en cada caso, si la molécula será polar o apolar. a) Según la teoría de RPECV, las nubes electrónicas se sitúan en el espacio de tal modo que se minimicen las repulsiones. Teniendo en cuenta la covalencia de los átomos y la existencia o no de electrones libres: CF geometría tetraédrica NF geometría piramidal trigonal BF geometría plano triangular b) El CF será apolar, ya que los cuatro enlaces son iguales y la molécula es simétrica. El NF será polar, ya que los tres enlaces poseen momentos dipolares no nulos, cuya suma es distinta de. El BF será apolar, ya que, aunque sus enlaces son polares, su geometría es tal que el momento dipolar de la molécula es nulo.. Dadas las siguientes moléculas: CF, C Br y C Cl (las tres con enlace carbono-carbono) justifica la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones: a) En todas las moléculas, los carbonos presentan hibridación sp. b) El ángulo Cl-C-Cl es próximo a º. c) La molécula C Br es lineal. a) Falso. Únicamente en el CF su hibridación será sp. En las otras sustancias, dadas las covalencias de los átomos que se unen, sus hibridaciones serán sp para el C Br y sp para el C Cl. b) Verdadero, ya que su geometría es: Cl Cl C C Cl Cl donde los ángulos son aproximadamente iguales a º. Cada carbono posee una geometría plana triangular. c) Verdadero. Existe un triple enlace C C ( σ y π). Para minimizar las repulsiones, el bromo se coloca formando un ángulo de 8º con el triple enlace. p sp sp sp sp Br C C Br σ σ σ π p.5 Entre dos pares electrónicos libres y entre dos pares electrónicos enlazantes existen fuerzas de repulsión. Indica razonadamente cuáles de estas fuerzas son menores. Las existentes entre dos pares electrónicos enlazantes, ya que están más compactados. 65

.6 Dadas las moléculas: C, Cl C y NCl : a) Representa su estructura de Lewis. b) Predice su geometría molecular. c) Explica si la molécula Cl C tiene momento dipolar. a) Teniendo en cuenta las configuraciones electrónicas de los distintos átomos: C ; Cl C ; Cl N Cl Cl Cl (C ) Cl C (NCl ) b) Basándonos en la teoría de RPECV: el C es lineal; el Cl C, plano triangular, y el NCl, pirámide trigonal. Cl Cl μ C μ μ c) Todos los enlaces son polares y la molécula lo será también, ya que con su geometría los momentos dipolares no se anulan: μ μ + μ + μ TTAL.7 Predice si serán polares o no las siguientes moléculas: ICl, S, C, PCl y BeCl. Justifica tu respuesta. Todos los enlaces son polares al ser distintos los átomos que se unen, por lo que poseen distinta electronegatividad. Como la polaridad de una molécula depende también de su geometría: I μ Cl μ Total μ μ S μ μ Total μ C μ μ μ Total Cl μ Cl μ Total μ Pμ Cl Cl μ μ Be Cl μ Total - ICl: molécula lineal y polar, ya que el cloro es más electronegativo. - S: molécula angular y polar, ya que el S es más electronegativo. - C : molécula tetraédrica con enlaces ligeramente polares, pero dada su geometría es apolar. - PCl : molécula piramidal trigonal con enlaces polarizados hacia el cloro, que es más electronegativo y sus momentos dipolares no se anulan, por lo que la molécula es polar. - BeCl : molécula lineal con enlaces polares, pues el cloro es más electronegativo, pero dada su geometría los momentos se anulan y el momento total resultante es, por lo que la molécula es apolar. 66

.8 Explica por qué el hidrógeno del grupo carboxilo del ácido o-hidroxibenzoico es más fácilmente cedible y, por tanto, más ácido que sus análogos para y meta. Para ello, emplea las siguientes estructuras. C C C rto Meta Para Es más fácilmente cedible el hidrógeno del grupo carboxilo que posee el en orto, ya que así esta forma resonante se estabiliza por puentes de hidrógeno intramoleculares. C _.9 Dadas las moléculas: C, P SF y Si : a) Representa su estructura de Lewis. b) Predice su geometría molecular. c) Explica si estas moléculas tienen momento dipolar. Justifica la respuesta. a) Dadas las covalencias de los átomos: C: covalencia ; : covalencia ; : covalencia ; P: covalencia ; S: covalencia ; y Si: covalencia, las estructuras de Lewis son: C ; P ; F S F Si ( C) (P ) (SF ) (Si ) ; b) Basándonos en la teoría de RPECV: C geometría plana triangular P geometría piramidal trigonal SF geometría angular Si geometría tetraédrica c) Una molécula será polar si sus enlaces lo son (al menos uno de ellos) y la geometría es la adecuada. C: molécula polar; los momentos dipolares no se anulan. P : molécula polar; el momento total resultante es distinto de. SF : molécula polar; el momento total resultante es distinto de. Si molécula apolar; los momentos dipolares se anulan. μ C μ μ μ μ P μ μ μ S μ μ S F F μ μ 67

. Discute la veracidad de la siguiente afirmación: La resonancia supone el movimiento de núcleos atómicos Falso. Es únicamente una deslocalización de nubes electrónicas..56 Basándote en la geometría del cis,-dibromoeteno y del,- dibromoeteno: a) Señala la hibridación de cada carbono. b) Cuál de las dos sustancias será más insoluble en disolventes apolares? Por qué? a) En ambos casos el carbono posee una hibridación tipo sp, de ahí su geometría. Br C C C C Br Br Br b) Será más insoluble en disolventes apolares la que sea más polar que es el isómero cis,-dibromoeteno, ya que los momentos de los enlaces C-Br no se anulan, mientras que en el,-dibromoeteno sí.. Razona si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: Un elemento A capaz de formar sustancias covalentes de tipo AX presenta una covalencia, por lo que el ángulo de enlace es de º. Falso, ya que los ángulos se ven afectados por la presencia de sustituyentes distintos. Si uno es más voluminoso que los demás, cerrará los otros ángulos. Esto pasa igual si existen pares de electrones libres.. Dibuja la estructura de Lewis del ion bromato. Si los enlaces Br- poseen longitudes entre las de un enlace sencillo y uno doble, propón las estructuras resonantes que lo explican. allamos la covalencia de los átomos de bromo y oxígeno del ion bromato: Br 5 Br : Ar s d p covalencia [ ] [ ] [ ]: [ e] s p covalencia Br _ Br Br El híbrido de resonancia será: Br δ _. Razona la veracidad de la siguiente afirmación: La molécula de arsina es más polar que la de amoníaco. Falso. Ambas moléculas poseen la misma geometría (pirámide trigonal) pero, al ser el nitrógeno más electronegativo que el arsénico, el momento dipolar de la molécula de amoníaco es mayor que el de la de arsina. μ T μ + μ + μ μ X μ μ 68

.5 De las tres posibles sustancias moleculares de nombre dibromobenceno, solamente una posee momento dipolar. Sabrías decir cuál? Dibuja el híbrido de resonancia e indica la hibridación de los átomos de carbono. (Ten en cuenta que la molécula de benceno es plana.) Existen tres dibromobenceno: Br Br Br Br Br rto Meta Br Para Aunque la polaridad del enlace C-Br es la misma en todos, únicamente el isómero para no será polar, debido a que la molécula presenta simetría. En las otras dos, los momentos dipolares de los enlaces no se anulan. Considerando solo formas resonantes de Kekulé, todos los enlaces C-C tienen una longitud entre un enlace sencillo y uno doble; la hibridación del carbono es del tipo sp. Br Br Br Br Br Br íbrido de resonancia FUERZAS INTERMLECULARES. ENLACE DE IDRÓGEN.5 Con respecto a la molécula CCl, indica razonadamente: a) Qué tipo de hibridación presenta el átomo de carbono b) Cómo será la polaridad de los enlaces y de la molécula c) Si será soluble o no en agua d) De qué tipo y cómo será la fortaleza de los enlaces que forman entre sí distintas moléculas de este compuesto a) La covalencia del carbono es, lo que indica una promoción de un electrón del orbital s al orbital vacío p y, además, los cuatro enlaces C-Cl son iguales, lo que implica hibridación sp : s p p sp s b) Los enlaces C-Cl son polares, ya que la electronegatividad del cloro es mayor que la del carbono; pero, dada la geometría de la molécula, esta es apolar (la suma de los momentos de enlace es ). c) No será soluble en agua, ya que la molécula es apolar. d) Al ser la molécula apolar, las fuerzas intermoleculares serán de tipo London. 69

.5 Indica razonadamente: a) La geometría de la molécula de agua. b) La polaridad en la molécula de agua. c) Las propiedades especiales del agua. a) La molécula de agua tiene geometría angular con ángulos de enlace de 6,7º. b) La molécula de agua es polar debido a que los enlaces - poseen un momento dipolar no nulo y a que su geometría angular permite obtener un momento dipolar total distinto de : y μt μ + μ El ángulo de enlace es 6,7º, por tanto: μ μx μ cos α μt ( μ cos α)i + ( μsen α) j x μy μsen α μ c) Las moléculas de agua son capaces de unirse entre sí a través de puentes de hidrógeno, lo que le lleva a tener altos puntos de fusión y ebullición en comparación con otras sustancias gaseosas de mayor masa como, por ejemplo, el S..5 El etanol posee un punto de ebullición de 78 ºC, mientras que el del dimetiléter es de 5 ºC. Si ambos poseen la misma masa molar, ya que responden a la misma fórmula molecular, C 6, a qué se debe esa diferencia? Se debe a que el etanol (C C ), es capaz de formar puentes de hidrógeno que habrán de romperse al cambiar del estado líquido al gaseoso. El dimetiléter (C C ) no es capaz de formarlos, ya que los enlaces C- no están lo suficientemente polarizados. C C C C.5 Dadas las moléculas BeCl, Cl C, N, y C, razona si alguna de ellas puede formar enlaces de hidrógeno. Para formar enlaces de hidrógeno debe existir un átomo de hidrógeno unido a un elemento mucho más electronegativo que él y además pares de electrones libres. Las dos primeras moléculas (BeCl y Cl C) no formarán puentes de hidrógeno, puesto que no poseen hidrógeno; la cuarta (C ) tampoco porque no existe ningún elemento con pares de electrones libres. Solamente el N podrá formar puentes de hidrógeno..55 La solubilidad del etanol en el agua es tan elevada que forma un azeótropo (una mezcla de dos o más componentes que poseen un solo punto de ebullición y se comporta como si fuese una sustancia pura). A qué debe el etanol su elevada solubilidad en agua? A que es capaz de formar puentes de hidrógeno entre el disolvente (el agua) y el soluto (el etanol)..56 Al estudiar el agua aparecen dos valores diferentes para las distancias oxígeno-hidrógeno. Significa eso que existen dos enlaces covalentes diferentes entre ambos núcleos? Razona tu respuesta. No. Se trata de un enlace covalente sencillo polar y de un puente de hidrógeno, y la distancia de este último es mayor, ya que las fuerzas intermoleculares son más débiles. 7

.57 Indica qué tipo de enlace o fuerza intermolecular se establece entre: a) Moléculas de dióxido de carbono. b) Molécula de BCl con ion cloruro. c) Formación del ion triyoduro a partir de I e I -. d) Dímero obtenido con dos moléculas de ácido acético. a) Las moléculas de C son apolares, por lo que entre ellas existen fuerzas intermoleculares de Van der Waals de tipo London. b) Existe un enlace covalente dativo, en el que el ion cloruro aporta el par de electrones del enlace, y el boro del BCl, el orbital vacío. c) Se establecen fuerzas intermoleculares de Van der Waals de tipo ion-dipolo inducido. d) Puentes de hidrógeno entre el hidrógeno del y el oxígeno que está unido por el doble enlace al carbono: R C C R.58 Las masas molares del dióxido de carbono y del titanio son casi iguales. Podrías explicar por qué el segundo es sólido a temperatura ambiente mientras que el primero es gas? El titanio forma redes infinitas en el espacio, mientras que el dióxido de carbono es una sustancia molecular..59 Podrías explicar la variación en los puntos de ebullición de los haluros de hidrógeno? F: 9,5 ºC; Cl: 85,5 ºC; Br: 66,7 ºC; I: 5,6 ºC. El valor anormalmente alto del F se debe a la formación de puentes de hidrógeno. El resto (Cl, Br y I) no son capaces de formar dichos puentes uniéndose las distintas moléculas por fuerzas de Van der Waals de tipo dipolo-dipolo. Además, aumentan los puentes de ebullición con la masa de la sustancia..6 A qué debe el grafito su poder lubricante? Si deseas saber más: www.e-sm.net/qbach A que el enlace entre capas es muy débil..6 Indica el enlace o fuerza intermolecular que se vence en cada uno de los procesos siguientes: a) Sublimar azufre. b) Rayar cuarzo. c) btener los elementos que forman un sólido covalente. d) Disolver nitrógeno en agua. e) Evaporar etanol. a) Fuerzas de Van der Waals de tipo London. b) Enlaces covalentes. c) Enlaces covalentes. d) Fuerzas de Van der Waals de tipo dipolo-dipolo. e) Enlace de hidrógeno. 7

SUSTANCIAS MLECULARES. SÓLIDS CVALENTES.57 Responde razonadamente a las siguientes cuestiones sobre el butano: a) Formúlalo e indica si es soluble en agua. b) Qué tipo de enlace existe en la molécula? Qué tipo de interacciones intermoleculares se dan? c) Cuál es su estado de agregación a temperatura ambiente? a) C -C -C -C. Dadas las electronegatividades del carbono y del hidrógeno y la geometría de la molécula, se trata de una molécula apolar, por lo que no será soluble en agua. b) Todos los enlaces son covalentes sencillos entre orbitales sp (C C) o entre el orbital sp del carbono y el s del hidrógeno (C ). El tipo de interacción intermolecular son fuerzas de dispersión. c) Dado que las fuerzas de dispersión son poco intensas, se trata de una sustancia gaseosa..58 Se tiene una sustancia formada por elementos no metálicos con las siguientes características: es sólida a temperatura ambiente, posee un punto de fusión muy elevado y una alta resistencia a ser rayada. Con estos datos, podrías decir sin lugar a dudas si se trata de una sustancia molecular o de un sólido covalente? Se trata de un sólido covalente, ya que al rayarlo se rompen enlaces covalentes, por lo que su resistencia es elevada. Si fuera una sustancia molecular, se romperían fuerzas intermoleculares, por lo que sería blanda..59 La arsina y el amoníaco son sustancias moleculares. Se disolverán en agua? Razona la respuesta. Sí, ya que ambas son sustancias polares al presentar enlaces con momento dipolar no nulo..6 El benceno (C 6 6 ), es un sólido covalente o una sustancia molecular? Qué tipo de interacciones existirán entre sus estructuras? Se trata de una sustancia molecular. Además, es apolar dada su geometría y la electronegatividad del carbono y del hidrógeno, por lo que entre sus estructuras existen fuerzas de Van der Waals de tipo London..6 Considerando las sustancias Br, Si, Fe, F y NaBr, justifica en función de sus enlaces: a) Si son o no solubles en agua. b) Si conducen la corriente eléctrica a temperatura ambiente. a) El Br no es soluble, al ser una sustancia molecular con enlace covalente apolar. El Si es un sólido covalente, por lo que es insoluble en agua, ya que para disolverse se deberían romper enlaces covalentes muy fuertes. El hierro tampoco es soluble, al tratarse de una sustancia metálica. El F sí es soluble, al ser una sustancia molecular polar. La disolución del fluoruro de hidrógeno proporciona ácido fluorhídrico. El NaBr es también soluble, al ser una sustancia iónica. b) Solamente el hierro conducirá la corriente, ya que es metal. Las sustancias covalentes no conducen y las iónicas únicamente si están fundidas (la temperatura ambiente es menor que la temperatura de fusión). 7

.6 En la siguiente tabla se recogen algunas propiedades de ciertas sustancias. Basándote en ellas, clasifícalas según su tipo de enlace. Pon un ejemplo de cada tipo de sustancia. A y C son sustancias covalentes: A es una sustancia molecular, y C, un sólido covalente. B es una sustancia iónica. Propiedad A B C Punto de fusión Bajo Alto Alto Conductividad eléctrica de la No En estado fundido No sustancia pura Solubilidad en CCl Sí No No Solubilidad en agua No Sí No Ejemplos: A: C ; B: NaCl; C: C (diamante). ESTRUCTURA QUÍMICA Y PRCESS BILÓGICS E INDUSTRIALES.6 Un bote A contiene una sustancia que huele a alcaravea (aroma parecido al anís), mientras que otro bote B desprende un aroma mentolado. Ambas sustancias responden a la misma fórmula molecular: C, cuya estructura en el plano es: C C C C Podrías explicar el porqué de esta diferencia? Esa molécula posee un carbono asimétrico, por lo que existen dos enantiómeros, que se diferencian por su olor. C C C C C C C C Menta Alcaravea 7

.6 El ácido pícrico es una sustancia que se emplea en pomadas para quemaduras de contacto. Si su estructura es la indicada en la figura, podrías decir si posee isomería óptica? Razona tu respuesta. N N N Si calma el dolor de las quemaduras, sería conveniente emplearlo para quemaduras de ácido sulfúrico? Por qué? No presenta isomería óptica, porque no existe ningún carbono asimétrico. No valdría para las quemaduras de ácido porque es una sustancia ácida, por lo que provocaría una quemadura aún mayor. 7

PRBLEMA DE SÍNTESIS.65 Un compuesto orgánico, cuyo punto de ebullición es de 65 ºC, tiene la siguiente composición centesimal: 7,5% de carbono, 5% de oxígeno y,5% de hidrógeno. a) Establece su fórmula molecular sabiendo que, a una presión de atm y a una temperatura de 7ºC, su densidad es de, g L -. b) Qué hibridación presenta el átomo central? c) Según la teoría RPECV, cuál es la geometría de la molécula? d) Qué podrías decir de los ángulos de enlace? e) Será capaz dicha sustancia de producir enlaces de hidrógeno intermoleculares? Y enlaces intramoleculares? Puedes aprender más sobre esta sustancia en: www.e-sm.net/qbach a) A 7 ºC la sustancia está en estado gaseoso, puesto que su punto de ebullición son 65 ºC. Podemos calcular su masa a partir de la ecuación de Clapeyron: m m pv nrt. Sabiendo que n y d, podemos expresar la ecuación como: M V pm d RT (atm) M, (g L - ),8 (atm L mol - K - ) (K) M g mol - Con los porcentajes y dividiendo entre las masas atómicas, podemos hallar el número de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno: 7,5 Se divide entre el menor,5 Carbono:, 5 átomo C,5,5 Se divide entre el menor,5 idrógeno:, 5 ; átomos,5 xígeno: 5, 5 ; Se divide entre el menor,5 átomo 6,5 La fórmula empírica es C y la molecular (C ) x. aciendo uso del resultado de masa molecular hallado anteriormente: M x (M C + M + M ); x ( + + 6) x. La fórmula molecular coincide con la empírica C. b) El átomo central es el de carbono, cuya hibridación es sp. c) Es aquella que minimiza las repulsiones entre las nubes electrónicas y que se corresponde con un tetraedro deformado al no ser los cuatro sustituyentes iguales. d) El grupo es más voluminoso que el, por lo que se cerrarán algo los ángulos C. e) Intermoleculares si, ya que existe un átomo de hidrógeno unido a un elemento más electronegativo que él, con pares de electrones libres. Intramoleculares no: C C C 75

9//9 5 Los cálculos en Química EJERCICIS PRPUESTS 5. A diferencia de los demás fluoruros de azufre, el SF 6 es inerte e inocuo. De hecho, a veces se administra para examinar los pulmones con rayos X y apreciar más detalles. El SF 6 se prepara a partir de sus elementos: S8 (s) + F (g) 8 SF6 (g) Cuántos moles de F deben reaccionar para que se formen moles de SF 6? Los coeficientes de una ecuación química ajustada indican el número relativo de moles de reactivos y productos que participan en la reacción química correspondiente. Por tanto, (mol F ) (mol SF ) 6 9 mol F 8 (mol SF6 ) 5. El N, conocido como gas de la risa, cuando se calienta, se descompone según la reacción: N (g) N (g) + (g) Δ Cuántas moléculas de N deben romperse para que se formen, moléculas de? Cuántos moles de N se forman a partir de mol de N? Los coeficientes de una ecuación química ajustada indican el número relativo de moléculas (y de moles) de reactivos y productos que participan en la reacción química correspondiente. Por tanto, (moléculas N) (mol N), (moléculas ), moléculas N ; (mol N ) (mol N ) (molécula ) (mol N ) 5. Los carburos iónicos que contienen el ion C, tales como el Al C, se llaman meturos, ya que dan metano (C ) por hidrólisis: Al C (s) + (l) Al() (s) + C (g) Calcula cuántos gramos de Al C y de agua deben reaccionar para que se formen 8, g de metano. Aquí nos ofrecen datos sobre la masa de un producto (A) y nos piden información sobre la masa de un reactivo (B). La cantidad de reactivo solicitada se calcula siguiendo el esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, los gramos de Al C que deben reaccionar para que se formen 8, g de metano son: ( g C ) ( mol C ) ( g C ) ( mol AlC ) ( mol C ) ( g AlC ) 8,7 g Al ( mol Al C ),95 8, C 6,5 El resultado debe expresarse con cuatro cifras significativas, ya que así es como se da el dato sobre la masa de C. Análogamente, los gramos de agua que deben reaccionar para que se formen 8, g de metano son: ( mol C ) ( g C ) ( mol ) ( mol C ) ( g ) ( mol ) 8, 8, ( g C ) 57,8 g 6,5 76

, tales como el CaC, se llaman acetiluros, pues dan aceti- 5. Los carburos iónicos que contienen el ion leno (C ) por hidrólisis: C CaC (s) + (l) Ca() (s) + C (g) Calcula el volumen de C, medido a ºC y, atm, que puede obtenerse a partir de, g de CaC. ay que calcular el volumen de un producto (B) a partir de una masa dada de un reactivo (A): masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B volumen molar volumen B De acuerdo con la ecuación de los gases ideales, el volumen molar, en las condiciones dadas, es: V nr T (mol),85 (atmlk mol p, (atm) ( g CaC ) ( mol CaC ) ( g CaC ) ( mol C ) ( mol CaC ) ) 7 (K), L ( L C ) ( mol C ),,,9 L C 6, 5.5 El carburo de silicio, SiC, es una de las sustancias más duras conocidas y se emplea como abrasivo. Se prepara mezclando arena (Si ) y coque (C) en un horno eléctrico: Si (s) + C (s) SiC (s) + C (g) Si mezclamos, g de Si con otros, g de C, qué masa de SiC se habrá formado cuando se haya completado la reacción? Se nos dan datos sobre la masa de dos reactivos, por lo que se trata de un problema de reactivo limitante. Para calcular los gramos de producto (B) formados a partir de los gramos de reactivo (A), seguimos el esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Suponiendo que el Si es el reactivo limitante y dado que hay una relación : entre los moles de SiC formados y los moles de Si consumidos, resulta:, ( g Si ) ( mol Si) ( g Si ) 6,9 ( mol SiC) ( mol Si ), ( g SiC) ( mol SiC) 6,67 g SiC Si el reactivo limitante fuera el carbono, tendríamos:, ( g C) ( mol C) ( g C), ( mol SiC) ( mol Si ), ( g SiC) ( mol SiC),g SiC El valor más pequeño es 6,67 g de SiC. Cuando se ha formado esta masa de SiC, el Si se ha consumido por completo y la reacción se detiene; se habrán formado 6,67 g de SiC. El reactivo limitante es, pues, el Si, ya que es el reactivo que se consume totalmente. Por tanto, el carbono está en exceso. 5.6 El cloruro de aluminio, AlCl, es un reactivo muy utilizado en la industria. Se obtiene tratando limaduras de aluminio con cloro, Cl, según la ecuación ajustada: Al (s) + Cl (g) AlCl (s) Si se parte de,7 g de aluminio y,5 g de cloro, cuál es el reactivo limitante? Cuántos gramos de AlCl pueden obtenerse? Para calcular los gramos de producto (B) formados a partir de los gramos de reactivo (A), seguimos el esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Suponiendo que el aluminio es el reactivo limitante y dado que hay una relación : entre los moles de AlCl formados y los moles de aluminio consumidos, resulta: ( mol Al) ( g Al) ( mol AlCl ) ( mol Al) ( g AlCl ) ( mol AlCl ),,7 ( g Al), g AlCl 6,98 Si el reactivo limitante fuera el cloro, tendríamos: ( mol Cl ) ( g Cl ) ( mol AlCl ) ( mol Cl ) ( g AlCl ) ( mol AlCl ),,5 ( g Cl ) 5,8 g AlCl 7,9 El valor más pequeño es 5,8 g de AlCl. Cuando se ha formado esta masa de AlCl, el Cl se ha consumido por completo y la reacción se detiene; se habrán formado 5,8 g de AlCl. El reactivo limitante es, pues, el AlCl, ya que es el reactivo que se consume totalmente. Por tanto, el aluminio está en exceso. 77

5.7 La lejía, NaCl (aq), se guarda en recipientes opacos, ya que se descompone con la luz según la ecuación: luz solar NaCl (aq) NaCl (aq) + (g) Qué volumen de, a atm y ºC, se forma con 5 ml de una disolución,67 mol L de NaCl? Se trata de calcular el volumen de un producto gaseoso B ( ) que se forma a partir de un volumen dado de la disolución de un reactivo A (NaCl acuoso). En este tipo de problemas se sigue el esquema: volumen disoluc. A concentración molar A moles A coeficientes ecuación moles B volumen molar B volumen B De acuerdo con la ecuación de los gases ideales, el volumen molar, en las condiciones dadas, es: V nr T (mol),85 (atmlk mol p, (atm) ( mol NaCl) ( L) ( mol ) ( mol NaCl) ) 95 (K), L ( L ) ( mol ),67,,5 ( L), L 5.8 Dada la ecuación ajustada: Na C (s) + Cl (aq) NaCl (aq) + C (g) + (l), calcula cuántos gramos de Na C se requieren para reaccionar completamente con 5, ml de una disolución,75 mol L de ácido clorhídrico. Calculamos la masa de un reactivo B (Na C ) que reacciona con un volumen dado de la disolución A (Cl): volumen disolución A concentración molar A moles A ( mol Cl) ( L) ( mol Na C ) ( mol Cl) coeficientes ecuación moles B ( g NaC ) ( mol Na C ) masa molar B,75 5,99,5 ( L),99 g NaC gramos B 5.9 El Cl es un gas amarillo utilizado para blanquear el papel. Una forma peligrosa de prepararlo (si no se produce antes una explosión) es hacer reaccionar clorato de potasio con ácido sulfúrico: KCl + S KS + Cl + + Qué masa de Cl se obtiene con 5,6 g de KCl y un exceso de S si el rendimiento es del 77,%? Calculamos la masa de Cl (producto B) que se obtendría a partir de una masa dada de KCl (reactivo A): masa molar A gramos A moles A ( mol KCl ) ( g KCl ) coeficientes ecuación moles B ( mol Cl) ( mol KCl ) masa molar B gramos B ( g Cl ) ( mol Cl ) 67,5 5,6 ( g KCl ),g Cl,55 El rendimiento teórico es, g de Cl. Así, al aplicar los valores en la expresión del rendimiento real: ( rendimiento teórico) ( rendimiento porcentual), ( g) 77, rendimient o real,9g 5. El mercurio posee la metalurgia más sencilla imaginable, ya que todos sus compuestos naturales producen mercurio metálico cuando se calientan en el aire. Calcula el rendimiento de una operación en la que se obtienen 7,99 g de mercurio a partir de, g de cinabrio, gs. La ecuación ajustada de la reacción es: Δ gs (s) + (g) g (l) + S (g) Primero calculamos el rendimiento teórico, es decir, la masa de mercurio (producto B) que se espera obtener a partir de una masa dada de gs (reactivo A): gramos A masa molar A moles A ( mol gs) ( g gs) coeficientes ecuación moles B ( mol g) ( mol gs) ( g g) ( mol g) masa molar B,59, ( g gs) 8,6 g g,66 gramos B El rendimiento real es la cantidad de producto que se obtiene durante una reacción química real. Por tanto, su valor aquí es 7,99 g de g. Al aplicar los valores en la expresión del rendimiento porcentual, obtenemos: rendimiento real 7,99 (g) rendimient o porcentual 9,7% rendimiento teórico 8,6 (g) 78

5. El peligrosísimo trifluoruro de cloro, ClF, inflama hasta el ladrillo, por lo que se utilizó para incendiar el castillo de Falkenberg. alla su composición centesimal en masa. La composición centesimal de un compuesto indica los porcentajes en masa de los elementos presentes: masa elemento % elemento masa total compuesto Teniendo en cuenta las masas atómicas, la masa molar del ClF resulta: M 5,5 + 9, 9,5 g Al aplicar los valores en la expresión anterior, obtenemos: 5,5 (g Cl) 9, (g F) % Cl 8,5 %Cl % F 6,65 % F 9,5 (g ClF ) 9,5 (g ClF ) 5. El ácido tricloroisocianúrico, Cl N C, llamado a veces cloro estabilizado, se utiliza para desinfectar el agua. Cuál es su fórmula empírica? La fórmula empírica es la fórmula molecular simplificada al máximo. Por tanto, la de este ácido es ClNC. 5. Ni el criptón ni sus compuestos tienen nada que ver con la fuerza de Superman. La composición centesimal en masa de uno de los pocos compuestos conocidos de este elemento es 68,8% Kr y,% F. Determina: a) Su fórmula empírica. b) Su fórmula molecular sabiendo que la masa molar es,8. a) La relación de elementos expresada en moles es: Kr 68,8 (g) : F, (g) Kr,8 (mol) : F,6 (mol) 8,8 ( gmol ) 8,99 ( gmol ) La fórmula empírica debe expresar esta relación en términos de los números enteros más pequeños posibles. Para ello, dividimos los dos números anteriores por el más pequeño de ellos: Kr : F Kr : Fórmula empírica: KrF,8,6 F,8,8 b) La fórmula molecular es (KrF ) n y su masa molar es n veces la masa molar de la fórmula empírica: Masa molar compuesto n (masa molar fórmula empírica),8 n (8,8 + 8,99) n Por tanto, la fórmula molecular es (KrF ), es decir, KrF. 5. En el proceso Solvay para producir carbonato de sodio, Na C, tiene lugar la secuencia de reacciones: NaCl + N + C + NaC + NCl NaC + NaC + C Calcula cuántas toneladas de Na C se pueden producir por cada 6 L de N, medidos a ºC y, atm, si el proceso tuviera un rendimiento del %. Sumando las dos ecuaciones dadas, se obtiene la ecuación neta del proceso: NaCl + N + C + NaC + NCl NaC + NaC + C NaCl + N + + C + NCl NaC Se trata de calcular la masa de un producto B (carbonato de sodio) que se forma a partir de un volumen dado de un reactivo gaseoso A (amoníaco): volumen molar volumen A A coeficientes moles A ecuación masa molar moles B B gramos B El volumen molar de un gas ideal en las condiciones dadas es: V nr T (mol),8(atmlk mol p, (atm) ) 7 (K), L Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada de la reacción, la masa de Na C que se forma a partir de 6 L de N es: ( mol N ) ( L N ) ( mol NaC ) ( mol N ) ( g NaC ) ( mol Na C ) () t 6 ( g) 6 5,99 ( L N ),7 t NaC, 79

5.5 Para eliminar el S de los gases que emiten las chimeneas de las centrales térmicas, se ha propuesto un proceso basado en las reacciones siguientes: MgC (s) Mg (s) + C (g) Δ Mg (s) + S (g) + (g) MgS (s) alla cuántas toneladas de MgC es necesario extraer para eliminar millones de toneladas de S. Sumando las dos ecuaciones dadas, se obtiene la ecuación neta del proceso: MgC (s) Mg (s) + C (g) Mg (s) + S (g) + (g) MgS (s) Δ MgC (s) + S (g) + (g) MgS (s) + C (g) Para calcular los gramos de un reactivo B (MgC ) necesarios para que reaccionen con una masa dada de otro reactivo A (S ), seguimos el siguiente esquema: masa molar A gramos A moles A ( g S ) ( t S ) 6 ( mol S ) ( g S ) coeficientes ecuación moles B ( mol MgC ) ( mol S ) masa molar B gramos B ( g MgC ) ( mol MgC ) 6 8, ( t S ) 6 6,7 6 t MgC EJERCICIS Y PRBLEMAS REACCINES Y ECUACINES QUÍMICAS 5.6 El oro reacciona con los halógenos formando distintos compuestos binarios: a) Au (s) + F (g) AuF (s) b) Au (s) + Cl (g) AuCl (s) c) Au (s) + Br (g) AuBr (s) d) Au (s) + I (g) AuI (s) Señala cuáles de las anteriores ecuaciones están ajustadas y ajusta las que no lo estén. Para que una ecuación química esté ajustada, debe tener, en cada lado, el mismo número de átomos de cada elemento. a) Au (s) + F (g) AuF (s) b) Au (s) + Cl (g) AuCl (s) c) Está ajustada. d) Au (s) + I (g) AuI (s) 5.7 El agua puede llegar a comportarse como un reactivo agresivo. Por ejemplo, a 5 ºC corroe rápidamente el acero ordinario, y a 5 ºC el vapor a presión ataca al acero inoxidable, transformando sus componentes (hierro, níquel y cromo) en óxidos, con liberación de : Fe (s) + (g) Fe (s) + (g) Ni (s) + (g) Ni (s) + (g) Cr (s) + (g) Cr (s) + (g) Ajusta las tres ecuaciones anteriores. Fe (s) + (g) Fe (s) + (g) Ni (s) + (g) Ni (s) + (g) Cr (s) + (g) Cr (s) + (g) 8

5.8 El perclorato de litio se usa como una fuente de oxígeno en aplicaciones aeroespaciales, ya que es el más ligero de los percloratos. A unos ºC, se descompone en cloruro de litio y oxígeno: LiCl (s) LiCl (s) + (g) Señala cuál de las ecuaciones siguientes es igualmente válida para representar la reacción anterior: a) LiCl (s) LiCl (s) + (g) b) LiCl (s) LiCl (s) (g) + c) LiCl (s) LiCl (s) + (g) Dada una ecuación ajustada, se obtiene otra igualmente válida si se multiplican (o dividen) todos sus coeficientes estequiométricos por un mismo número, de modo que la nueva ecuación también estará ajustada. Por tanto, solo la ecuación b) es válida. La ecuación c) está ajustada, pero no corresponde al proceso químico descrito en el enunciado, ya que en aquí el reactivo es el LiCl no el LiCl. 5.9 En 97, cientos de personas fueron evacuadas de sus casas en Chicago porque un tanque con varios millones de litros de SiCl empezó a tener pérdidas por sus válvulas. El aire se llenó de humos sofocantes debido a la reacción del SiCl con el agua del aire: SiCl (l) + (l) Si (s) + Señala si es correcto afirmar que: a) Un mol de SiCl produce cuatro moles de Cl. b) Un gramo de SiCl produce cuatro gramos de Cl. c) Un litro de SiCl produce un litro de Si. Cl (aq) Los coeficientes de una ecuación química ajustada indican el número relativo de moles de reactivos y productos en la reacción química correspondiente, pero no de gramos. Por tanto, mol de SiCl produce mol de Cl. La afirmación a) es, pues, correcta, mientras que la afirmación b) es falsa. Solamente entre sustancias gaseosas, la relación en volumen es la misma que la relación de los coeficientes en la ecuación ajustada. Por tanto, la afirmación (c) es falsa. 5. Las células solares del Satélite Cryosat, que estudiará las variaciones en las capas de hielo de la Tierra, son de arseniuro de galio, GaAs, uno de los semiconductores más importantes para la fabricación de los chips más modernos. Se produce según la ecuación: C ) Ga (g) + As (g) C (g) + GaAs (s) ( Ajusta la reacción y calcula, para formar mol de GaAs, cuántos moles de As deben reaccionar y cuántas moléculas de C se producen. La ecuación ajustada de la reacción es: C ) Ga (g) + As (g) C (g) GaAs (s) ( + De acuerdo con los coeficientes de la ecuación ajustada de la reacción, para que se forme mol de GaAs, debe reaccionar mol de As. Dado que en mol de cualquier sustancia hay 6, moléculas, resulta: ( mol C ) ( mol GaAs) ( moléculas C ) ( mol C ) ( ) 6, mol GaAs,8 moléculas C 5. La atutía contiene Zn, protector de rayos UV y de sabor amargo, utilizado como pigmento blanco y como ungüento (la expresión popular no hay tu tía es una deformación de no hay atutía ). Las disoluciones concentradas de Na disuelven el Zn y forman iones cincato, [Zn() ], según la ecuación: Zn (s) + (aq) + (l) [ Zn() ] (aq) Calcula cuántos moles de Na se requieren para que se formen 6, iones [Zn() ]. Dado que en mol de cualquier especie hay un número de partículas de dicha especie igual al número de Avogadro, N 6,, resulta: ( ) ( mol [Zn() ] ) iones [Zn() ] 6, ( iones [Zn() ] ) ( mol ) ( mol [Zn() ] ) 6, ( mol Na) ( mol ) mol Na 8

CÁLCULS ESTEQUIMÉTRICS Y REACTIV LIMITANTE 5. En los trajes espaciales se usa Li para eliminar el C exhalado por los astronautas, según la reacción: Li (s) + C (g) LiC (s) + (l) La cantidad de C varía de,5 kg a, kg por persona y día, según el esfuerzo físico realizado y el metabolismo de cada cual. Al planificar una actividad extravehicular de 6 horas de un astronauta, qué cantidad mínima de Li pondrías en el traje espacial? Se trata de calcular la masa de Li (reactivo B) necesaria para que reaccione todo el C que pueda formarse (reactivo B) en 6 horas en el caso de máximo esfuerzo del astronauta. La cantidad de reactivo solicitada se calcula siguiendo el esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, se obtiene:, 6 (h) (h) ( g C ) ( mol C ),( g C ) ( mol Li) ( mol C ) ( g Li) ( mol Li),95 Por tanto, la cantidad mínima de Li debe ser:,5 g Li,5 kg LI.,5 g Li 5. Debido a su penetrante olor al descomponerse, el carbonato de amonio fue, en otro tiempo, un estimulante utilizado para reanimar a las personas que se habían desmayado: ( N ) C (s) N (g) + C (g) + (g) Δ Si a 7 ºC y, atm se descomponen 6, g de (N ) C : a) Qué volumen de N gaseoso se forma? b) Cuántos litros de C se desprenden? a) Se trata de calcular el volumen de un producto B (amoníaco) que se forma a partir de una masa dada de un reactivo A (carbonato de amonio). Para ello, se sigue el siguiente esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B volumen molar B En primer lugar, hallamos el volumen molar de un gas ideal en las condiciones dadas: volumen B V nr T (mol),8(atmlk mol p, (atm) ) 97 (K) 79,9 L Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada de la reacción, el volumen de N formado a partir de 6, g de (N ) C es: ( g (N ) C ) ( mol (N ) C ) ( g (N ) C ) ( mol N ) ( mol (N ) C ) ( L N ) ( mol N ) 79,9 6,, L N 96, b) Dado que la relación en volumen entre sustancias gaseosas es la misma que la relación de los coeficientes en la ecuación ajustada, tenemos: ( L C ) ( L N ), ( L N ),6 L C 5. Los fluoruros de los semimetales son todos volátiles (podemos decir que el flúor da alas a los elementos ). Así, la sílice desaparece durante el ataque por F: Si (s) + F (g) SiF (g) + (l) Si se tienen, g de Si, calcula: a) La masa de F necesaria para gastar todo el Si. b) El volumen de SiF que se formará, medido a, atm de presión y 5 ºC de temperatura. 8

a) Aquí nos ofrecen datos sobre la masa de un reactivo A (Si ) y nos piden información sobre la masa de otro reactivo B (F). La cantidad de reactivo solicitada se calcula siguiendo el esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, obtenemos: ( mol Si) ( g Si ) ( mol F) ( mol Si ) ( g F) ( mol F),, ( g Si ) 6,5 g F 6,9 El resultado debe expresarse con tres cifras significativas, pues así se da el dato sobre la masa de Si. b) Se trata de calcular el volumen de un producto B (SiF ) que se forma a partir de una masa dada de un reactivo A (Si ). Para ello, seguimos el siguiente esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B El volumen molar de un gas ideal en las condiciones dadas es: V nr T (mol),8(atmlk mol p, (atm) volumen molar B volumen B ) 98 (K),5 L Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada de la reacción, el volumen de SiF formado a partir de, g de Si es: ( mol Si) ( g Si ) ( mol SiF ) ( mol Si ) ( L SiF ) ( mol SiF ),5, ( g Si) 5,6 L SiF 6,9 5.5 Las cerillas que encienden en cualquier superficie contienen trisulfuro de tetrafósforo, P S, y un agente (KCl o Mn ) que suministra oxígeno. Al rascar la cerilla, se produce la combustión de dicha sustancia y se forma un humo blanco de P (s) y S (g): P S (s) + (g) P (s) + S (g) Calcula el volumen de S, medido a 9 K y 7 mmg, obtenido en la combustión de,57 g de P S. Para calcular el volumen de S (producto B) que puede formarse a partir de una masa dada de P S (reactivo A), seguimos el siguiente esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B En primer lugar, hallamos el volumen molar de un gas ideal en las condiciones dadas: volumen molar B nr T (mol),8(atmlk mol ) 9 (K) V 5, L p (atm) 7 (mmg) 76 (mmg) volumen B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada de la reacción, el volumen de S que puede obtenerse a partir de,57 g de P S es: ( g P S ) ( mol PS ) ( g P S ) ( mol S ) ( mol P S ) ( L S ) ( mol S ) 5,,57,5L S,9 5.6 El fósforo es el primer elemento químico que se obtuvo a partir de una fuente animal. Fue aislado por primera vez en 669 por el alquimista alemán. Brandt, a partir de orina putrefacta. Ahora se obtiene calentando fosfato de calcio con carbón y arena: Ca (P) (s) + C(s) + 6 Si (s) 6CaSi (s) + C(g) + P (s) Calcula cuántos gramos de fosfato de calcio se requieren para obtener, g de fósforo. Para calcular los gramos de Ca (P ) (reactivo B) que se requieren para que se forme una masa dada de fósforo (producto A), seguimos el esquema general: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, obtenemos: ( gp ) ( ) ( gp ) ( mol Ca(P) ) ( molp ) ( gca(p) ) ( Ca (P ) ) molp,8, 5,8 gca(p),88 mol El resultado debe expresarse con cuatro cifras significativas, pues así se da el dato sobre la masa de P. 8

5.7 En el primer ataque a las Torres Gemelas de Nueva York, en 99, los terroristas utilizaron como explosivo una mezcla de gasolina y nitrato de amonio. En la explosión, el N N se descompone en N, y vapor de agua. La fuerza de la explosión proviene de la producción rápida de un gran volumen de gas caliente: N N (s) N (g) + (g) + (g) Cuántos litros gaseosos, medidos a 6 ºC y, atm, se producen a partir de, kg de N N? Se trata de calcular el volumen de todos los productos gaseosos B (N, y ) que puede formarse a partir de una masa dada de un reactivo A (N N ). Para ello seguimos el siguiente esquema: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B volumen molar B En primer lugar, hallamos el volumen molar de un gas ideal en las condiciones dadas: volumen B V nr T (mol),8(atmlk mol p, (atm) ) 87 (K) 7,7 L Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada de la reacción, se forman 7 mol de especies gaseosas por cada mol N N. El volumen ocupado por los gases formados a partir de, kg de N N resulta:, ( gn N ) ( ) ( gn N ) moln N 8,6 7 ( mol gases) ( moln N ) ( L gases) ( gases) 7,7 mol, L gases 5.8 El lutecio es uno de los metales más difíciles de preparar, y su precio es mucho mayor que el del oro. Se obtiene por reacción del LuF con calcio: LuF + Ca Lu + CaF Queremos preparar 5, g de lutecio. Sabiendo que el fluoruro de lutecio es más caro que el calcio: a) Qué reactivo interesa que esté en exceso? b) Que cantidad de LuF se requiere? a) Dado que el LuF es mucho más caro que el calcio, conviene que este último esté en exceso, de modo que no quede sin reaccionar nada del producto más valioso. b) Para calcular los gramos de reactivo B (LuF ) que se requieren para que se forme una masa dada de un producto A (Lu), seguimos el esquema general: masa molar A gramos A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, obtenemos: ( mol Lu) ( g Lu) ( mol LuF ) ( mol Lu) ( g LuF ) ( mol LuF ),97 5, ( g Lu) 98,9 g LuF 7,97 El resultado debe expresarse con cuatro cifras significativas, pues así se da el dato sobre la masa de Lu. 5.9 Se ha detectado la presencia de cianógeno, (CN), en la atmósfera de Titán, la luna más grande de Saturno, y en los gases de las nebulosas interestelares. En la Tierra, se usa como fumigante. Su reacción con el flúor produce tetrafluoruro de carbono y trifluoruro de nitrógeno: ( CN) (g) + 7F (g) CF (g) + NF (g) a) Qué masa de CF se forma cuando se mezclan 8, g de cada uno de los reactivos? b) Cuál es el reactivo limitante? a) Se trata de un problema de reactivo limitante, por lo que seguimos el esquema general: masa molar gramos A A moles A coeficientes ecuación masa molar B moles B gramos B Si el reactivo limitante es (CN) : ( ) ( mol(cn) ) ( mol CF ) 88,( g CF ) g(cn) 5, ( g(cn) ) ( mol(cn) ) ( mol CF ) ( molf ) ( molcf ) 88,( g CF ) Si el reactivo limitante es Cl: 8, ( gf ) 5,9 g 8, ( gf ) 7( molf ) ( molcf ) 8, 7g CF CF El valor más pequeño es 5,9 g de CF. Cuando se ha formado esta masa de CF, el F se ha consumido por completo y la reacción se detiene; entonces se habrán formado 5,9 g de CF. b) El F es, pues, el reactivo limitante. 8

5. El trifluoruro de cloro es un agente fluorante casi tan vigoroso como el mismo F, con la ventaja de ser líquido (los expertos en la química del flúor lo llaman flúor engañado para que sea líquido a temperatura ambiente ). Se obtiene haciendo reaccionar cloro y flúor: Cl (g) + F (g) ClF (g) Si mezclamos 5, L de Cl con, L de F : a) Cuántos litros de ClF, medidos a ºC y atm, se formarán? b) Cuántos litros del reactivo en exceso, medidos a atm y ºC, sobrarán? a) Dado que la relación en volumen entre sustancias gaseosas (si se miden en las mismas condiciones de presión y temperatura) es la misma que la relación de los coeficientes en la ecuación ajustada, si el Cl fuera el reactivo limitante y si se consumieran los 5, L de cloro, el volumen de ClF sería: ( LClF ) ( ) 5, ( LCl ), L ClF LCl Si el reactivo limitante fuera el F y si se consumieran los, L de flúor presentes en la mezcla reaccionante, el volumen de ClF sería: ( LClF ) ( LF ), ( LF ), L ClF Si se consume todo el F, se formarán, L de ClF, que es, por tanto, el reactivo limitante. b) El volumen de cloro que reacciona con los, L de F que se consumen totalmente es: ( ) ( LF ) LCl, ( LF ), L Cl Por tanto, los litros de Cl, medidos a ºC y a atm, que quedan sin reaccionar son: 5, L, L 5, L 5. El sulfuro de antimonio, Sb S, se utiliza actualmente en las pinturas de camuflaje, ya que refleja la radiación infrarroja igual que la vegetación. Reacciona con el hidrógeno según la ecuación: Sb S (s) + (g) Sb (s) + S(g) Si en la mezcla de reacción hay, g de Sb S y, g de, qué masa de antimonio elemental se forma? Puesto que se nos da información sobre la masa de dos reactivos, se trata de un problema de reactivo limitante. Para calcular los gramos de un producto (B) formados a partir de los gramos de un reactivo (A), seguimos el esquema general: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Suponiendo que el Sb S es el reactivo limitante, que reacciona hasta agotarse, y dado que hay una relación : entre los moles de Sb formados y los moles de Sb S consumidos, resulta:, ( g Sb S ) ( mol SbS ) ( g Sb S ) 9,7 Si el reactivo limitante fuera el, tendríamos: ( mol Sb) ( mol Sb S ) ( g Sb) ( mol Sb),76, ( g ) ( ) ( g ) mol, ( mol Sb) ( mol ) ( g Sb) ( Sb),76 mol 56, g Sb, g Sb El valor más pequeño es, g de Sb. Cuando se ha formado esta masa de Sb, el Sb S se ha consumido por completo y la reacción se detiene, mientras que sobra dado que se encuentra en exceso. 85

REACCINES EN DISLUCIÓN 5. El hipoclorito de sodio, NaCl, reacciona con el amoníaco, o con la urea, formando compuestos tóxicos llamados cloraminas. De hecho, el olor asociado al cloro en las piscinas se debe, realmente, a cloraminas. La monocloramina, N Cl, puede formarse según: NaCl (aq) + N (aq) Na (aq) + NCl (aq) Debido a esta reacción, es peligroso mezclar lejía (una disolución acuosa de NaCl) con limpiadores que contengan amoníaco. Calcula los gramos de N Cl que se forman cuando se mezclan ml de una disolución,67 mol L de NaCl con un exceso de amoníaco. Se trata de calcular la masa de N Cl (producto B) que se forma a partir de un volumen dado de la disolución de NaCl (reactivo A). En este tipo de problemas se sigue el esquema: volumen disolución (A) concentración molar de la disolución A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Naturalmente, los cálculos hay que hacerlos a partir del reactivo limitante, que aquí es el NaCl, ya que el amoníaco está en exceso. ( mol NaCl) ( L disolución) ( mol N Cl) ( mol NaCl) ( g NCl) ( mol N Cl),67 5,8, ( L disolución),g NCl 5. El torio se conoce desde hace unos 8 años. Durante mucho tiempo, sus compuestos se utilizaron sin saber que eran radiactivos (la radiactividad aún no había sido descubierta). El torio metálico se disuelve en Cl: Th (s) + Cl (aq) ThCl (aq) + (g) (sin ajustar) Qué volumen de disolución 6, mol L de Cl se requiere para disolver, g de torio? La ecuación ajustada de la reacción es: Th (s) + 6Cl (aq) ThCl (aq) + (g) Se trata de calcular el volumen de la disolución de un reactivo que reacciona con una masa dada de otro reactivo: ( mol Th) ( g Th) ( mol Cl) ( mol Th) ( L disolución) 6 ( mol Cl) 6, ( g Th),7 L disolución, Es decir, se requieren 7 ml de la disolución 6, mol L de Cl. Este último dato limita los resultados a dos cifras significativas. 5. El cianuro de sodio se utiliza en algunas aguas tropicales superficiales para aturdir a los peces y, así, capturarlos vivos. Pero el cianuro destruye el coral. El hipoclorito de sodio puede utilizarse para eliminar el cianuro: NaCN (aq) + 5 NaCl (aq) + (l) NaC (aq) + N (g) + 5 NaCl (aq) Calcula la concentración molar de NaCN en,5 L de una disolución acuosa, sabiendo que, al añadir un exceso de NaCl (aq), se han desprendido, g de N. En primer lugar, debemos calcular los moles de NaCN contenidos en los,5 L de disolución acuosa, sabiendo que es el reactivo limitante de la reacción en la que se producen, g de N. Lo hacemos siguiendo el siguiente esquema: gramos N, masa molar de N moles N ( g N ) ( N ) ( g N ) mol 8, coeficientes ecuación moles NaCN ( mol NaCN) ( mol N ) Por tanto, la concentración molar de la disolución acuosa de NaCN es: ( mol) ( L),5 M, moll,5,5 mol NaCN - 86

AuCl. En reali- 5.5 La gallina de los huevos de oro del relato Paté de foie gras de I. Asimov utiliza el ion dad, este puede obtenerse disolviendo oro en agua regia: + Au (s) + N (aq) + Cl (aq) + (aq) AuCl (aq) + N (g) + (l) Cuántos ml de agua regia (mezcla de volúmenes de Cl mol L y volumen de N 6 mol L ) se necesitan para disolver, g de oro? El agua regia se obtiene mezclando volúmenes de Cl mol L y volumen de N 6 mol L. Por tanto, la concentración molar de Cl y N en el agua regia es: (L) [Cl] - ( moll ) ( L agua regia) (L) 6 N ] - ( moll ) ( L agua regia) 9 ( mol Cl) ( ) L agua regia ( mol N ) ( ) [ L agua regia Cada mol de N produce mol de iones N, por lo que la cantidad de agua regia necesaria para disolver los, g de oro es:, ( g Au) ( mol Au) ( g Au) 96,97 ( mol N ) ( mol Au) ( mol N ) ( mol N ) ( L agua regia) ( mol N ),7 L agua regia Análogamente, cada mol de Cl produce mol de iones Cl, la cantidad de agua regia necesaria para disolver los, g de oro es: ( mol Au) ( g Au) ( mol Cl ) ( mol Cl) ( mol Cl ) ( L agua regia) 9 ( mol Cl), ( g Au),6 L agua regia 96,97 ( mol Au) Por tanto, se requieren, al menos,,6 L,6 ml de agua regia. En,7 ml de agua regia hay suficientes iones N, pero no suficientes Los,6 ml de agua regia proporcionan la cantidad estequiométrica de iones Cl para que reaccione todo el oro. Cl y un exceso de iones N. RENDIMIENT 5.6 El nitruro de boro hexagonal, BN, se ha convertido en el componente estrella de los maquillajes para disimular las arrugas, gracias a su forma de reflejar la luz. Se obtiene calentando boro elemental, a ºC, con amoníaco: ºC B (s) + N (g) BN (s) + (g) Calcula el rendimiento porcentual si se obtienen 55 g de BN a partir de 6 g de boro y un exceso de amoníaco. Primero calculamos el rendimiento teórico, es decir, la masa de BN (producto B) que se espera obtener a partir de la masa dada de boro (reactivo limitante A). Para ello seguimos el siguiente esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B ( mol B) ( g B) ( mol BN) ( mol B) ( g BN) ( mol BN),8 6 ( g B) 5 g BN,8 El rendimiento real es la cantidad de producto que se obtiene durante una reacción química real. Por tanto, su valor aquí es 55 g de BN. Al aplicar los valores en la expresión del rendimiento porcentual, obtenemos: rendimiento real 55 (g) ren dimiento porcentual 8,9% rendimiento teórico 5 (g) 87

5.7 Todos los óxidos de cloro son inestables y no se pueden obtener a partir de sus elementos. El óxido superior, Cl 7, es un líquido oleoso muy explosivo. Se obtiene deshidratando el Cl con P : P Cl Cl7 + Si, a partir de una muestra de, g de Cl, se forman 9,9 g de Cl 7, determina: a) El rendimiento teórico. b) El rendimiento real y el rendimiento porcentual. a) El rendimiento teórico es la masa de Cl 7 (producto B) que se espera obtener a partir de una masa dada de Cl (reactivo limitante A). Para calcularlo seguimos el siguiente esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B ( g Cl ) ( mol Cl ) ( g Cl ) ( mol Cl7 ) ( mol Cl ) ( g Cl7 ) ( mol Cl ) 8,9 8,,7 g Cl7,6 7 Por tanto, el rendimiento teórico es,7 g de Cl 7. b) El rendimiento real es la cantidad de producto que se obtiene durante una reacción química real. Por tanto, su valor aquí es 9,9 g de Cl 7. Al aplicar los valores en la expresión del rendimiento porcentual, obtenemos: rendimiento real 9,9 (g) ren dimiento porcentual 9,% rendimiento teórico,7 (g) 5.8 Actualmente, se están usando minerales con un,5% de Cu para obtener cobre metálico. Calcula la masa de tales minerales necesaria para producir los 9 kg de cobre que contiene la Estatua de la Libertad, si el proceso tiene un rendimiento porcentual del 85%. Teniendo en cuenta que el rendimiento porcentual de la operación es de solo el 85%, para obtener un rendimiento real de 9 kg de cobre (es decir, 9, kg de cobre), la masa de minerales de la que se debe partir es: 9, ( kg Cu),5 ( kg min eral) ( kg Cu), 85 7 kg min eral 5.9 La espectacular nube de polvo blanco que se forma en el despegue de una lanzadera espacial se debe al Al producido al quemar el combustible sólido (una mezcla de aluminio y perclorato de amonio): Δ Al (s) + N Cl (s) Al (s) + AlCl (s) + N (g) + 6 (g) Si los cohetes queman 7, 5 kg de N Cl y un exceso de aluminio, formándose,77 5 kg de Al, cuál es el rendimiento porcentual? Primero calculamos el rendimiento teórico, es decir, la masa de Al (producto B) que se espera obtener a partir de la masa dada de N Cl (reactivo limitante A). Para ello seguimos el siguiente esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B ( mol NCl ) ( g N Cl ) ( mol Al ) ( mol N Cl ) ( g Al ) ( mol Al ) 8,96 7,8 ( g NCl ), 7,9 8 g Al El rendimiento real es la cantidad de producto que se obtiene durante una reacción química real. Por tanto, su valor aquí es,77 5 kg de Al.. Al aplicar los valores en la expresión del rendimiento porcentual, obtenemos: rendimiento porcentual rendimiento real rendimiento teórico,77, 8 8 (g) 87,6% (g) 88

5. El titanio es uno de los metales que mejor resiste la corrosión producida por el agua del mar. Puede obtenerse a partir de la ilmenita, un mineral cuya fórmula es FeTi. Primero se obtiene tetracloruro de titanio, TiCl, que luego se reduce con magnesio calentado: FeTi (s) + C (s) + Cl (g) FeCl (s) + C (g) + TiCl (g) TiCl (g) + Mg (s) MgCl (l) + Ti (s) Si el rendimiento porcentual de la primera reacción es del 8%, y el del la segunda, del 9%, calcula: a) La masa de titanio obtenida a partir de, kg de FeTi b) El rendimiento de la operación global. a) El rendimiento teórico, expresado en moles, de TiCl obtenido en la primera reacción es: ( mol FeTi ) ( g FeTi ) ( mol TiCl ) ( mol FeTi ), ( g FeTi ) mol TiCl 5,7 El rendimiento real, expresado en moles, de TiCl obtenido en la primera reacción resulta: ( ren dim iento teórico) ( ren dimiento porcentual) (mol TiCl) 8 ren dimiento real 7 mol TiCl A continuación, calculamos la cantidad teórica de titanio que puede formarse a partir de los 7 mol TiCl que se obtienen, realmente, en la primera reacción. De acuerdo con la estequiometría de la segunda reacción, obtenemos: 7 ( mol TiCl ) ( mol Ti) ( mol TiCl ) ( g Ti) ( mol Ti) 7,87 En consecuencia, el rendimiento real de titanio obtenido resulta: rendimiento real ( rto. teórico) ( rto. porcentual) 8,8 g Ti 8,8 (g Ti) 9 7,8 g Ti 7,8kg Ti b) Primero calculamos el rendimiento teórico de la operación global, es decir, la masa de titanio (producto C) que se espera obtener, en la reacción, a partir de una masa de TiCl (B), producida a su vez, en la reacción, a partir de una masa dada de FeTi (reactivo A). Para realizar dicho cálculo, seguimos el siguiente esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B coeficientes ecuación moles C masa molar C gramos C, ( g FeTi ) ( mol FeTi ) ( g FeTi ) 5,7 ( mol TiCl ) ( mol FeTi ) ( mol Ti) ( mol TiCl ) ( g Ti) ( mol Ti) 7,87, Al aplicar los valores en la expresión del rendimiento porcentual, se obtiene, para el proceso global: rendimiento porcentual rendimiento real rendimiento teórico 7,8 (g Ti) 77%, (g Ti) Igualmente, el rendimiento de la reacción global puede obtenerse multiplicando los rendimientos de todas las etapas de que consta: (,8) (,9),77 g Ti 89

DETERMINACIÓN DE FÓRMULAS 5. Se cree que Mozart murió envenado accidentalmente por tártaro emético, cuya fórmula es: K [Sb(C6 ) ], que le prescribían sus médicos. Determina la composición centesimal de este compuesto. La composición centesimal de un compuesto indica los porcentajes en masa de los elementos presentes: masa elemento % elemento masa total compuesto Teniendo en cuenta las masas atómicas, la masa molar del K [Sb (C 6 ) ] es: M 9, g +,76 + 8, g + 5 6, g +, g 667,9 g Al aplicar los valores en la expresión anterior, obtenemos: 9,,76 % K,7% K % Sb 6,6% Sb 667,9 667,9 8, 5 6, % C,9% C % K 5,9% 667,9 667,9, %,5% 667,9 5. Los árboles necesitan más boro que otras plantas. livos viejos de Grecia y España se han revitalizado con boro. Bastan 6 g de octoborato de sodio por año y árbol para aumentar su rendimiento y, además, eliminar insectos parásitos. Determina la fórmula empírica y molecular del octoborato de sodio, sabiendo que su composición centesimal en masa es,5% Na, 5,% B y 6,9%, y que tiene una masa molar de,6 g mol. La relación de elementos, expresada en moles, es: Na,5 (g) : B 5, (g) : 6,9 (g) Na,5876 (mol) : B,5 (mol) :,88 (mol),99 (gmol ),8 (gmol ) 6, (gmol ) La fórmula empírica debe expresar esta relación en términos de los números enteros más pequeños posibles. Para ello, dividimos los tres números anteriores por el más pequeño de ellos: Na,5876 : B,5 :,88 Na : B : 6,5,5876,5876,5876 La relación atómica en términos de los números más pequeños posibles, todos ellos enteros, es decir, la fórmula empírica del octoborato de sodio es, por tanto, Na B 8. La fórmula molecular debe ser un múltiplo de la fórmula empírica: (Na B 8 ) n. El valor de n puede determinarse a partir de la masa molar:,6 n (,99 + 8,8 + 6,),6 n,6 Por tanto, la fórmula molecular coincide con la fórmula empírica: Na B 8 5. El placitaxel, que se extrae del árbol Taxus brevifolia del Pacífico, se usa contra el cáncer de ovario y de mama, y se comercializa con el nombre de Taxol. Su composición porcentual en masa es: 66,% C, 6,%,,6% N, y 6,%. alla su fórmula empírica. La relación de elementos, expresada en moles, es: C 66,(g) : 6, (g) : N,6 (g) : 6, (g) C5,55 (mol) : 5,97 (mol) : N,7(mol) :,69 (mol),(gmol ),8 (gmol ),(gmol ) 6, (gmol ) La fórmula empírica debe expresar esta relación en términos de los números enteros más pequeños posibles: Para determinarla, dividimos los cuatro números anteriores por el más pequeño de ellos: C : : N : C : : N : Fórmula empírica del placitaxel: C 7 5 N 5,55 5,97,7,69 7 5,7,7,7,7 9

5. El hidroxicloruro de circonio es, actualmente, el mejor antitranspirante para los desodorantes sólidos. Su composición en masa es: 9,8% Al, 6,7% Zr, 6,% Cl, 5,% y,%. alla su fórmula empírica. La relación de elementos, expresada en moles, es: Al 9,8 (g) 6,98 (gmol ) Al : Zr 6,7 (g) 9, (gmol ) : Cl 6, (g) 5,5 (gmol ) : 5, (g) 6, (gmol ) :,79 (mol) : Zr,85 (mol) : Cl,7 (mol) :, (mol) :, (mol), (g),8 (gmol ) La fórmula empírica debe expresar esta relación en términos de los números enteros más pequeños posibles. Para determinarla, dividimos los cinco números anteriores por el más pequeño de ellos: Al : Zr : Cl : : Al : Zr : Cl : : Fórmula empírica: Al ZrCl,,79,85,7,,,85,85,85,85,85 que suele escribirse como Al ZrCl (). 5.5 Las pastillas de cloro estabilizado que llevan los aventureros para desinfectar el agua contienen dicloroisocianurato de sodio, que libera ácido hipocloroso al disolverse en agua y cuya composición centesimal en masa es,5% Na,,% Cl, 9,% N, 6,8% C y,8%. Determina su fórmula empírica. La relación de elementos, expresada en moles, es: Na,5 (g),99 (gmol ) Na : Cl, (g) 5,5 (gmol ) : N 9, (g), (gmol ) : C 6,8 (g), (gmol ) :,55 (mol) : Cl,99 (mol) : N,6 (mol) : C,6 (mol) :,6 (mol),8 (g) 6, (gmol ) La fórmula empírica debe expresar esta relación en términos de los números enteros más pequeños posibles. Para determinarla, dividimos los cinco números anteriores por el más pequeño de ellos: Na : Cl : N : C : Na : Cl : N : C : Fórmula empírica: NaCl N C,55,99,6,6,6,55,55,55,55,55 5.6 El cha-tiao-qui, una preparación de las hojas del Acer Guinnala, se utiliza en medicina tradicional en la provincia de Anhui, en China, para tratar la disentería aguda. La reacción de uno de los ingredientes activos presentes en el cha-tiao-qui con agua produce ácido gálico, un poderoso agente antidisentérico, que contiene C, y. Si un químico, para determinar la fórmula molecular del ácido gálico, quema, g del compuesto en un analizador elemental y obtiene,8 g de C y,7 g de, a) Determina la fórmula empírica del compuesto. b) Se halló que la masa molar era de 7, g mol. Cuál es la fórmula molecular del ácido gálico? a) Todo el carbono del C y todo el hidrógeno del formados en la combustión proceden del carbono y del hidrógeno presentes en la muestra de ácido gálico (ya que el aire solo aporta oxígeno). Por tanto, la cantidad de C e contenidos, respectivamente, en los,8 g de C y los,7 g de formados es:,8, ( ) ( g C) g C,9 g C,7 ( g ), ( g C ) La masa restante es oxígeno. Así, en, g de muestra hay: :, g (,9 g +,55 g),7 g,8 8,6 ( g ) ( g ),55 g La relación de elementos es: C,9 (g) :,55 (g) :,7 (g) C, (mol) :,5 (mol) :,9 (mol), (gmol ),8 (gmol ) 6, (gmol ) Para determinar la fórmula empírica, dividimos los tres números anteriores por el menor de ellos: C, :,5 :,9 C, :, :,9,9,9 Para obtener la relación de números enteros sencillos, multiplicamos los números anteriores por cinco: C : : C : : Fórmula empírica del ácido gálico: C 7 6 5,, 7 6 5 b) La fórmula molecular es un múltiplo de la fórmula empírica: (C 7 6 5 ) n. A partir de la masa molar hallamos n: n (7, + 6,8 + 5 6,) 7, 7, n Fórmula molecular: C 7 6 5 7, 9

5.7 La química del rutenio es muy interesante. Un material de partida para los estudios de este elemento es la sal hidratada RuCl n. Al calentar,56 g de este hidrato hasta expulsar toda el agua, se obtienen,88 g de compuesto anhidro. alla la fórmula de la sal hidratada. La cantidad de agua presente en la masa dada de la sal hidratada es:,56 g,88 g,8 g Es decir, la sal hidratada contiene,8 g de agua por cada,88 g de RuCl. Por tanto, la relación de RuCl a en la sal hidratada es: ( RuCl ),88 (g) : (),8 (g) La relación de moles de agua en la sal hidratada a moles de RuCl resulta: (RuCl ),88 (g) : (),8 (g) (RuCl ), (mol) : (),(mol) 7, (gmol ) 8,6 (gmol ) Expresada con los números enteros más sencillos, dicha relación es: ( RuCl Por tanto, la fórmula de la sal hidratada es: RuCl ), : (), (RuCl ) (mol) : () (mol),, PRBLEMAS DE SÍNTESIS 5.8 El oro puede recuperarse de las rocas auríferas, disolviéndolo con KCN (aq) en presencia de aire: Au (s) + 8 KCN (aq) + (g) + (l) KAu(CN) (aq) + K (aq) Una vez disuelto, el oro se puede precipitar como metal, utilizando cinc, de acuerdo con la ecuación: KAu(CN) (aq) + Zn (s) K Zn(CN) (aq) + Au (s) Partiendo de 5 kg de roca con un,% de oro, a) Cuántos litros de KCN,76 mol L se necesitan para extraer todo el oro? b) Calcula los kg de cinc metálico necesarios para recuperar todo el oro extraído como KAu(CN) (aq). a) Se trata de calcular el volumen de una disolución de KCN (reactivo B) que reacciona con una masa dada de oro (reactivo A). En este tipo de problemas se sigue el esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B concentración molar disol. B Volumen disolución B 6,5 ( g roca), ( g Au) ( g roca) ( mol Au) ( g Au) 96,97 8 ( mol KCN) ( mol Au) ( L disolución) ( mol KCN),76 L disolución b) Sumando la primera reacción dada con la segunda multiplicada por dos, resulta la ecuación global: Au (s) + 8 KCN (aq) + (g) + (l) KAu(CN) (aq) + K (aq) KAu(CN) (aq) + Zn (s) KZn(CN) (aq) + Au (s) Au (s) + 8 KCN (aq) + (g) + (l) + Zn (s) K (aq) + KZn(CN) (aq) + Au (s) De acuerdo con la estequiometría de esta reacción global, la cantidad de cinc necesaria para recuperar todo el oro presente en la roca es: 6,5 ( g roca), ( g Au) ( g roca) ( mol Au) ( g Au) 96,97 ( mol Zn) ( mol Au) ( g Zn) ( mol Zn) 65, 5 g Zn,5 kg Zn 9

5.9 En marzo de, la Agencia Espacial Europea lanzó el Enviasat, un satélite de observación de la Tierra. El módulo de propulsión consta de cuatro tanques con una capacidad para combustible de kg de hidracina (N ). Su descomposición catalítica es: N + N N Alrededor de dos quintas partes del amoníaco se descompone mediante la reacción química: N + N Los tres gases (N, N y ) son expulsados para producir el empuje. Si se inyectan 6, kg de N, calcula la masa de N, N y expulsada al espacio. A partir de 6, kg de N, la cantidad de masa de amoníaco (N ) formada es: ( mol N ) ( g N ) ( mol N ) ( mol N ) ( g N ) ( mol N ) 7, 6, ( g N ),5 g N,5 kg N,6 Por la ley de conservación de la masa, de N se habrán formado: 6, kg,5 kg,75 kg N Como dos quintas partes del N formado se descomponen (en N y ), de N quedará: El N que se descompone es: Esta cantidad produce: ( mol N ) ( g N ),5 (kg),55 kg N 5,5 (kg),7 kg N 5 ( mol N ) ( mol N ) ( g N ) ( mol N ) 8,,7 ( g N ), g N, kg N 7, La cantidad de N total es la suma del que procede de la descomposición de la hidracina y el que procede de la descomposición del amoníaco:, 75 kg +, kg,5 kg N Por el principio de conservación de la masa, los,7 kg de N habrán formado de :,7 kg, kg, kg 9

6 Termodinámica EJERCICIS PRPUESTS 6. Calcula la variación de energía interna de un sistema que cede J en forma de calor y realiza sobre el entorno un trabajo de 6 J. Según el primer principio de la Termodinámica: Δ U Q + W (J) 6 (J) 8 J 6. Determina la cantidad de calor necesaria para aumentar ºC la temperatura de, mol de moléculas de agua líquida. Dato. C m [ (l)] 75, J K mol Q mc m ΔT, (mol) 75, (JK mol ) (K) 58 J,5 J 6. La reacción Mg (s) + Cl (aq) MgCl (aq) + (g) se lleva a cabo en un erlenmeyer cerrado unido por un tubo a una jeringa, cuyo émbolo puede desplazarse libremente. Se hacen reaccionar, g de Mg y 5 cm de Cl mol L a 5 ºC. La presión atmosférica es de, kpa. El calor liberado durante la reacción es de, kj. Calcula el trabajo de expansión del hidrógeno producido, la variación de entalpía del sistema reaccionante y la variación de energía interna. Nota. Calcula el volumen de hidrógeno obtenido a partir de la cantidad consumida del reactivo limitante utilizando la ley de los gases ideales. R 8, J mol K. Los moles iniciales de cada reactivo son: n Mg m M m,(g de Mg),98,98, (gmol ) mol de Mg ncl V c 5 (cm ) (L cm ) (mol L ),mol de Cl Según la estequiometría de la reacción, el reactivo limitante es el Mg, del que se consumen,98 moles y produce los mismos de. A partir de la ecuación de los gases ideales, el volumen obtenido de este gas es: ΔnR T,98 p Δ V ΔnR T ΔV p (mol) 8,(JK, (Pa) mol ) 98(K), m Así pues, el trabajo de expansión: W exp p ΔV, (Pa), (mol ), J, kj La variación de entalpía: Q p Δ, kj La variación de energía interna: Δ U Q + W p exp, (kj), (kj), kj 6. La variación de energía interna de la reacción (g) (g) a 5 ºC y 5 Pa es ΔU m 87,9 kj mol. Calcula el valor de Δ m de la reacción. Δ m ΔU m + Δn gases R T 87,9 (kj mol ) + ( ) 8, (kj mol K ) 98 (K) 85, kjmol 9

6.5 En una tabla de datos se lee que la entalpía de combustión del azufre rómbico es Δ c, m (98 K ) 96,9 kj mol. Explica el significado de los símbolos: a) Δ c) m e) kj mol b) c d) (º) a) Variación de entalpía. c) Molar. e) Kilojulios por mol. b) Combustión. d) Condiciones estándar. 6.6 La variación de entalpía estándar molar de la reacción (g) + (g) (l) es 87,5 kj mol. Cuál es la variación de entalpía estándar de la reacción escrita en la forma: (g) + (g) (l)? (g) + (g) (l); Δm 87,5 kjmol (g) + (g) (l); Δm (mol) ( 87,5) (kjmol ) 575 kj 6.7 Cuáles de las siguientes sustancias tienen una entalpía estándar de formación igual a cero? Explica por qué. a) (g) c) (g) e) g (g) b) (g) d) (g) f) C (diamante) f a) Δ [ (g)] e) Δ f [ g (g)] > f > b) Δ f [ (g)] > d) Δ [ (g)] f c) Δ [ (g)] f) Δ f [ C (diamante)] > La entalpía de formación de cualquier elemento en su forma más estable en estado estándar es. Es el caso de (g) y (g). 6.8 La entalpía estándar de formación del etano, C C (g), es +6,9 kj mol -. a) Escribe la ecuación de la reacción de formación del etano a partir de sus elementos. b) Representa, en un diagrama de niveles de entalpía, la entalpía de formación del etano. a) C (grafito) + (g) C C (g) Δ f + 66,9 kjmol b) El diagrama de niveles de entalpías será: Δ (kj) + 66,9 C C (g) Δ f [C C (g)] 66,9 kjmol _ C (grafito), (g) 95

6.9 Calcula la entalpía estándar de la reacción: N (g) + 5 (g) 6 (l) + N(g) Datos. Δ [ N (g)] 6, kj mol ; Δ [ (l)] 85,8 kj mol ; Δ [ N (g)] + 9, kj mol m m [ 6Δ [ (l)] + Δ [ N (g) ] Δ [ N (g)] + 5Δ [ (g)] m [ ] Δ m ΣΔf (productos) ΣΔf (reactivos) f f f f Δ m [ 6 ( 85,8) + 9, ] [ ( 6,) + 5 ] ( 75 + 6,) ( 8,) 69 kjmol 6. Las entalpías de combustión de las formas alotrópicas del azufre son: S (rómbico) + S (monoclínico) + (g) S (g) Δc 96,9 kj mol (g) S (g) Δc 97, kj mol a) Calcula la entalpía estándar de la reacción: Srómbico S monoclínic o b) Cuál es la forma más estable del azufre? c) Dibuja el diagrama de niveles de entalpía correspondiente. a) Utilizando la ley de ess: S (rómbico) + (g) S (g) Δc 96,9 kj mol S (monoclínico) + (g) S (g) Δc 97, kj mol S (rómbico) S (monoclínico) ; Δ Δ [ S ] Δ [ S ] 96,9 ( 97,), kjmol m c rómbico b) La forma más estable, energéticamente, es el S (rómbico). c) El diagrama de niveles de entalpías será: c monoclínico Δ (kj) S (monoclínico) _, S (rómbico) _ 97, _ 96,9 6. La entalpía estándar de atomización de la molécula de agua es de 96 kj mol -. Escribe la ecuación de la reacción de atomización del agua y calcula la entalpía de disociación del enlace. La ecuación de la reacción de atomización es: atomización (g) (g) + (g) Δ 96 kjmol Por tanto, la fórmula desarrollada del agua es : Δ Δ d ( ) atom 96 (kjmol ) 6 kj mol 96

6. Sin consultar la tabla de entalpías de enlace, predice qué enlace es más fuerte en cada uno de los pares siguientes: a) C Cl o C Br d) C C o b) CC o C C e) o c) Cl o I a) Δ d (C Cl) > Δd (C Br) porque el átomo de Cl es más pequeño que el de Br y, por tanto, la longitud de enlace, C Cl, es menor, y el enlace, más fuerte. d d b) Δ (C C) > Δ (C C) porque, entre los mismos átomos, el enlace doble es más fuerte que el sencillo. c) Δ d ( Cl) > Δd ( I) porque el átomo de Cl es más pequeño que el de I y, por tanto, la longitud de enlace, Cl, es menor, y el enlace, más fuerte. d) Δ d (C C) > Δd ( ). Los átomos de oxígeno son más electronegativos y los electrones de enlace se ven más atraídos hacia sus correspondientes átomos que los del enlace C C, por ello este enlace es más débil que aquel. e) Δ d ( ) > Δd ( ) porque los átomos de son más pequeños que los de y, por tanto, la longitud de enlace,, es menor, y el enlace, más fuerte. 6. Predice y justifica cuál de las siguientes sustancias tendrá mayor entropía molar. a) (l) o (g) c) C (diamante) o C (grafito) b) C (g) o C 8 (g) d) (g) o N (g) a) Sm [ (g)] > Sm[ (l)]. Una sustancia en estado gaseoso presenta siempre mayor desorden molecular que en estado líquido, y por ello, su entropía es mayor. b) Sm [C8 (g)] > Sm[C (g)]. La molécula de C 8 tiene mayor número de átomos que la de C, por lo que es más compleja y presenta mayor desorden, y por tanto, mayor entropía. c) Sm [C (grafito)] > Sm[C (diamante)]. En el grafito, el carbono se presenta con geometría sp componiendo hexágonos que se unen en dos direcciones formando láminas, mientras que en el diamante lo hacen en las tres direcciones del espacio, con geometría sp. Los enlaces entre átomos de C situados en capas adyacentes del grafito son más débiles que los enlaces C C del diamante. d) Sm [ (g)] > Sm[N (g)]. Ambas sustancias son gaseosas y tienen igual número de átomos. Tendrá mayor desorden y, por tanto, mayor entropía aquella que presente fuerzas intermoleculares más débiles. Como ambas son apolares, la unión más débil corresponde a la molécula de menor masa, es decir, al. 6. Predice el signo de a) (g) + (g) N (g) N b) Ca (s) + (g) Ca (s) c) CaC (s) Ca (s) + C (g) d) (g) + (g) N (g) N Δ S m de cada una de las siguientes reacciones. a) Δ S m <, pues disminuye el número de moléculas gaseosas ( Δ ν ν ν ) gas gas (prod.) gas (react.) b) Δ S m <, pues disminuye el número de moléculas gaseosas ( Δ νgas νgas (prod.) νgas (react.) ) c) Δ S m >, pues aumenta el número de moléculas gaseosas ( Δ ν ν ν ) gas gas (prod.) gas (react.) d) Δ S m <, pues disminuye el número de moléculas gaseosas ( Δ ν ν ν ) gas gas (prod.) gas (react.) 97

6.5 El carbonato de magnesio se descompone cuando se calienta de acuerdo con la ecuación: MgC (s) Mg (s) + C (g) La entalpía estándar de la reacción es Δ m +, kj mol -, y la entropía estándar es 7,8 J K - mol - a 98 K. a) Calcula la energía libre de Gibbs de la reacción a 98 K. b) Predice si la reacción será espontánea en condiciones estándar y a 98 K. c) A qué temperatura la reacción es espontánea en condiciones estándar? Δ S m a) ΔGm Δm TΔΔm, (kj mol ) 98 (K) 7,8 (kjk mol ) + 8, kj mol b) La reacción no es espontánea a 98 K, puesto que Δ G m >. c) La reacción es espontánea a partir de la temperatura de equilibrio, donde Δ G m, es decir, m m Δm, (kjmol ) Δ TeqΔSm Teq ΔS 7,8 (kjk mol ) eq m < 57 K. A T > T ΔG (espontáneo) 6.6 La gráfica de la variación del C muestra una línea en zigzag. a) A qué crees que es debido? b) Por qué no sería adecuado realizar estas medidas en el centro de una ciudad? a) Las oscilaciones anuales de C (g) en la atmósfera son debidas a que en primavera y verano aumenta la masa forestal y de cultivo y, por tanto, disminuye el C en la atmósfera debido a la mayor actividad fotosintética. Además, es mayor el número de horas de luz. b) Porque las emisiones de C de los vehículos y de las calefacciones e industrias darían unos datos de concentración superior a la media. 6.7 Cuáles son las causas que hacen difícil la predicción del cambio climático, lo que se traduce en predicciones de la variación de la temperatura a finales del siglo XXI que se mueven en la horquilla de, a 6 ºC? Las principales dificultades para predecir el posible cambio climático vienen dadas por las numerosas variables que intervienen en el del sistema climático, el insuficiente conocimiento de muchos procesos que tienen lugar en la atmósfera y la diversidad de escenarios de emisiones que dependen de cómo evolucione la población mundial como, por ejemplo, el consumo de combustibles fósiles y otras materias primas. 6.8 Busca información sobre los métodos que se han sugerido para retirar de la atmósfera C y los problemas que ello pueda originar. Actualmente, la tierra y los océanos absorben la mitad del dióxido de carbono producido por la actividad humana, que en su mayor parte procede de la quema de combustibles fósiles. Algunos científicos han sugerido que continuarán absorbiendo más y más C a medida que las emisiones aumenten, haciendo que las plantas se desarrollen más y los océanos florezcan con mayor vitalidad. Sin embargo, hay estudios que indican que la biosfera que respira puede absorber carbono solo con una rapidez limitada. Más allá de cierto punto, el planeta no podrá seguir el ritmo de las emisiones de dióxido de carbono, pues las plantas tienden a crecer con una cierta cadencia y, aunque pueden acelerar hasta cierto punto con más C atmosférico, esta cadencia está limitada por reacciones metabólicas en la planta y por la disponibilidad de agua y nutrientes, además de otros factores. 98

EJERCICIS Y PRBLEMAS LA PRIMERA LEY DE LA TERMDINÁMICA: ENERGÍA, TRABAJ Y CALR 6.9 La energía térmica, para un gas formado por moléculas, consta de cuatro términos: energía de traslación, energía de rotación, energía de vibración y energía de activación electrónica (energía cinética de los electrones situados en estados excitados respecto del estado fundamental). Describe qué les ocurre a las moléculas, a los átomos y a los electrones del (g) cuando se produce un aumento de: a) Energía traslacional b) Energía rotacional c) Energía vibracional d) Energía electrónica de activación a) Al aumentar la energía de traslación, aumenta la energía cinética de traslación de las moléculas de un gas, es decir, se desplazan con mayor velocidad. b) Al aumentar la energía rotacional, las moléculas giran con mayor rapidez respecto de sus ejes de rotación. c) Al aumentar la energía vibracional, las moléculas vibran con mayor intensidad y, por tanto, con mayor amplitud. d) Al aumentar la energía electrónica de activación, los electrones saltan a niveles de energía superiores y alcanzan estados excitados. 6. a) Calcula la variación de energía interna de un gas que absorbe 5 J de calor y sobre el que se realiza un trabajo de J. b) Determina el calor que intercambia un sistema con el entorno cuando realiza un trabajo de 6 J y su energía interna aumenta 8 J. a) Según el primer principio de la Termodinámica: Δ U Q + W + 5 (J) + (J) 77 J b) Q ΔU W 8 (J) ( 6) (J) 6 J 6. En un calorímetro se coloca un trozo de carbonato de calcio y sobre él se vierten ml de ácido clorhídrico (Cl, aq) diluido. La temperatura de la disolución se eleva,5 ºC. Cuál es el valor del calor desprendido durante la reacción? Nota. Considera que la c e de la disolución es aproximadamente igual a la del agua, c e,8 J ºC - g -. Qué otras aproximaciones has realizado? El calor desprendido durante la reacción se supone igual al calor absorbido por la disolución: Q mc T. e Δ Puesto que la disolución de ácido clorhídrico es diluida, podemos suponer que su densidad es igual a la del agua. Por tanto, su masa será: Sustituyendo: Q mc m V d (cm ) (gcm ) g. m ΔT (g),8 (Jg º C ),5 (º C) 96 J Se ha realizado la aproximación de suponer despreciable el calor absorbido por el carbonato de calcio y por el calorímetro. 99

ENERGÍA INTERNA Y ENTALPÍA DE REACCIÓN 6. Cuando mol de (l) hierve a ºC y a una presión de, kpa, su volumen aumenta de 9,8 cm en estado líquido a,6 dm en estado gaseoso. Se ha determinado que el calor absorbido en el proceso de vaporización es de,67 kj. Calcula: a) La Δ m. b) La Δ Um de vaporización del agua. a) El proceso que tiene lugar es: (l) (g) A presión constante, Q p es igual a ; así pues,,67 kj b) El incremento de volumen es: ΔV,6 (dm ) 9,8 (dm ), dm El trabajo de expansión es: W exp p ΔV, (Pa), (m ) 5 J,5 kj Por tanto: Δ U Δ + Wexp,67 (kj),5 (kj) 7,6 kj 6. En una bomba calorimétrica se queman,79 g de glucosa (C 6 6 ), y el aumento de temperatura es de,8 ºC. La capacidad calorífica del calorímetro es de 6,76 kj K -. Calcula: a) La variación de energía interna molar de combustión de la glucosa. b) La variación de entalpía molar de combustión de la glucosa a 98 K. Considera el agua en estado líquido. v a) El calor absorbido por el calorímetro es: Q C ΔT 6,76 (kjk ),8 (K), kj Por tanto, el calor liberado por la reacción ha sido Q v ΔU, kj Este calo es la variación de energía interna de la reacción, pues esta transcurre a volumen constante. Para calcular la variación de energía interna molar debemos conocer la cantidad de glucosa quemada: n m,79 (g) M 8, (gmol,6 ) mol Por tanto, la variación de energía interna molar es: Δ U m ΔU, (kj) 8 kjmol n,6 (mol) b) Para calcular la variación de entalpía molar, debemos conocer Δν gases de la reacción: Δ m ΔU m C6 6 + + Δν (s) + 9 (g) 6 C (g) 6 (l) Δ ν 6 9 gases R T,8 (kjmol ) 8, (kjk mol gases ) 98 (K) 8 kjmol 6. En un cilindro con un émbolo se calientan,85 mol de gas neón bajo una presión de 5 Pa, transfiriéndole 5, J. El aumento de temperatura es de, ºC. Calcula: a) El incremento de volumen del gas. b) El trabajo de expansión realizado por el gas. c) La variación de energía interna del gas. a) El incremento de volumen del gas se puede calcular a partir de la ecuación p Δ V nr ΔT, de donde: nr ΔT,85 (mol) 8,(Jmol K ), (K) ΔV, (m ), dm 5 p (Pa) 5 b) W p ΔV (Pa), (m ), J exp c) Q p Δ + 5, J Δ U Δ + Wexp 5, (J), (J) +,7 J

6.5 Se mezclan 5 cm de Cl, mol L a, ºC con 5 cm de Na, mol L también a, ºC, en un calorímetro. La temperatura de la mezcla aumenta a 7,8 ºC. Calcula la variación de entalpía molar de la reacción y especifica las aproximaciones que realices en los cálculos. El calor desprendido por la reacción de neutralización se supone igual al calor absorbido por la mezcla reaccionante. Ello implica suponer que el calorímetro está perfectamente aislado térmicamente y no absorbe calor, lo cual es una aproximación. El calor absorbido por la disolución se puede calcular a partir de: Q p mc ΔT e Suponiendo la densidad de la disolución igual a g cm, la masa es m 5 (g) + 5 (g) 5 g. Por la misma razón, suponemos que la capacidad calorífica específica de la disolución es igual a la del agua. Además, sabemos que la variación de temperatura en la escala Celsius coincide con la escala Kelvin. Qp mce ΔT 5 (g),8 (Jg K ) (7,8,) (K) 5,5 J 5,5 kj El calor liberado es Q p 5,5 kj, y como la reacción tiene lugar a presión constante: Q Δ 5,5 kj Para calcular la variación de entalpía molar de la reacción es preciso conocer los moles que han reaccionado: n Cl,5 (dm ) (mol dm ),5 mol p m nna,5 (dm ) (mol dm ),5 mol El proceso que tiene lugar es Cl (aq) + Na (aq) NaCl (aq) + (l), por lo que, dada su estequiometría, reaccionarán,5 mol de Cl con,5 mol de Na. Por tanto, la variación de entalpía molar será: Δ m Δ 5,5 (kj) 6, kjmol n,5 (mol) 6.6 Determina el valor de Δν gases en las siguientes reacciones y expresa la diferencia entre Δ m y ΔU m a 98 K, sin tener en cuenta la pequeña variación de volumen que producen los reactivos o productos sólidos o líquidos. Recuerda que el valor de RT a 98 K (5 ºC) es,5 kj mol -. a) (s) + (g) C (g) C b) C (s) + (g) C (g) c) (g) (g) ΔUm Δ U Δ U m m 9,5 kj mol,5 kjmol + 87,9 kjmol Razona el valor de Δ m en relación con ΔU, teniendo en cuenta el signo de ΔU m (carácter exotérmico o endotérmico de la reacción) y el signo de la variación de Δν gases (del cual depende que el sistema realice trabajo de expansión contra la atmósfera o reciba trabajo de compresión por parte de ella). a) Δ ν gases Δ m ΔU m 9,5 kjmol b) Δ ν gases Δ m ΔU m + R T,5 +,5 kjmol Δ ν gases Δ m ΔU m R T 87,9,5 + 85, kjmol

6.7 Una muestra de -butanol ( C CCC ) se quema en un calorímetro de llama. a) Calcula la entalpía de combustión del -butanol a partir de los siguientes datos: Masa inicial del (quemador + muestra) 9, g Masa final del (quemador + muestra) 8,9 g Temperatura inicial del agua, ºC Temperatura final del agua 5, ºC Masa del agua del calorímetro 5 g Masa molar del -butanol 7, g mol - b) Calcula la energía interna molar de combustión del -butanol a 98 K. Nota. Considera el agua en estado líquido. a) Se supone que todo el calor desprendido en la reacción de combustión es absorbido por el agua. El incremento de temperatura del agua es: Δ T 5,8 (º C), (º C),9 º C El calor absorbido por el agua es: Q p mc ΔT 5 (g),8 (Jg e º C ),9 (º C),5 J Como la reacción es a presión constante, el calor desprendido será igual a la variación de la entalpía: Q p Δ,5 J 5, kj La masa de -butanol quemado es m 9, (g) 8,9 (g),9 g, que en moles es: m,9 (g) n,7 mol M 7,(gmol ) La variación de entalpía molar de la reacción será: Δ m Δ 5, (kj) 555 kjmol n,7 (mol) b) Para calcular la variación de entalpía molar, debemos conocer Δν gases de la reacción: 5 C CCC (l) + (g) C (g) + 5 (l) Δν,5 gases Δ U m Δ m 555 (kjmol ΔU m + Δν gases ) (,5) 8, R T ΔU m (kjk Δ mol m Δν gases R T ) 98 (K) 59 kjmol ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FRMACIÓN DE UNA SUSTANCIA Y ENTALPÍA ESTÁNDAR DE UNA REACCIÓN. LEY DE ESS 6.8 Escribe una ecuación que represente la formación del propano, C 8, a partir de sus elementos en estado estándar. Dibuja un diagrama de niveles de entalpía que represente la entalpía estándar de mol de propano en relación con la entalpía estándar de los elementos que lo forman. Dato. Δ f (C ) kj mol 8 C (grafito) + (g) C8 (g) Δf kjmol Δ (kj) C (grafito), (g) _ C 8 (g)

6.9 Diversos compuestos tienen entalpías de formación positivas y son energéticamente inestables respecto de sus elementos. Sin embargo, no se descomponen de manera espontánea. La razón es que son estables cinéticamente, es decir, su velocidad de descomposición a temperaturas bajas es tan lenta que es casi nula. El carbono diamante es un ejemplo. C (diamante) C (grafito) Δ m,kjmol Explica por qué el C (diamante) no se descompone espontáneamente en C (grafito) a temperatura baja. El C (diamante) es energéticamente inestable, porque su nivel de energía interna es, kj mol superior a la del carbono grafito; pero, afortunadamente para los poseedores de diamantes, la velocidad de transformación es tan lenta que puede afirmarse que esta no tiene lugar. Se dice entonces que es cinéticamente estable. 6. El etanol (C C (l)) no se puede preparar directamente a partir de sus elementos; por tanto, su entalpía estándar de formación se ha de obtener indirectamente a través de las entalpías de combustión del etanol y de sus elementos constituyentes. a) Escribe la ecuación de la reacción de formación del etanol. b) Dibuja el diagrama de niveles de entalpía que muestre cómo se puede obtener la entalpía de formación del etanol a partir de las entalpías de combustión. c) Calcula la entalpía estándar de formación del etanol. Datos. Δ c (grafito) 9 kjmol ; Δc [ (g)] 86 kj mol ; Δ [ C C (l)] 68 kj mol a) La reacción de formación del etanol es: C (grafito) + (g) + (g) CC (l) b) Para representar el diagrama entálpico necesitamos las ecuaciones de las reacciones de combustión: c, 9 kjmol () C (grafito) + (g) C (g) Δ () (g) + (g) (l) Δc, 86 kjmol () C C (l) + (g) C (g) + (l) Δ c, c 68 kjmol Mediante una combinación adecuada de estas ecuaciones, se obtiene la ecuación correspondiente a la reacción de formación del etanol, y de igual forma, se calcula su entalpía (ley de ess). Δ (kj) Δ f (etanol) C (grafito) + (g) + 7 (g) C C (I) + (g) _ 68 kj Δ c, + Δ c, C (g) + (I) c) Utilizando la ley de ess y haciendo la siguiente combinación con la ecuaciones: () + () () () C (grafito) + (g) C (g) Δ Δ ( 9) 786 kj () (g) + (g) (l) Δ Δc, ( 86) 858 kj () C (g) + (l) C C (l) (g) Δ Δ 68 kj + c, c, () + () () C (grafito) + (g) + (g) CC (l) Δ f (etanol) Asimismo, calculamos la entalpía de formación estándar del etanol: Δ f (etanol) Δ + Δ Δ ( 786) + ( 858) + 68 76 kj mol c, c, c,

6. El S (rómbico) no se combina con el ; por tanto, para calcular la entalpía estándar de formación del S (g) es preciso determinar la entalpía estándar de combustión de cada una de las sustancias que intervienen en la reacción. a) Escribe la ecuación de la reacción de formación del S (g). b) Dibuja un diagrama de niveles de entalpía que muestre cómo se puede obtener la entalpía de formación del S (g). c) Calcula la entalpía estándar de formación del S (g). Datos. Δ [ S (rómbico)] 96,9 kj mol ; Δ [ (g)] 85,9 kjmol ; Δ [ S (g)] 56,8 kjmol c a) La reacción de formación del S (g) es: (rómbico) + (g) S (g) c S b) Para representar el diagrama entálpico necesitamos las ecuaciones de las reacciones de combustión: c () (rómbico) + (g) S (g) S () (g) + (g) (l) () S (g) + (g) S (g) (l) + Δ Δ Δ c, c, c, 96,9 kjmol 85,9 kjmol 56,8 kjmol Δ (kj) Δ f ( S) S (rómbico) + (g) + (g) S (g) + (g) _ 56,8 kj Δ c, + Δ c, S (g) + (I) c) Utilizando la ley de ess y haciendo con las ecuaciones la combinación: ( ) + () () obtenemos la ecuación correspondiente a la formación del S (g) y su entalpía de formación estándar. f Δ ( S) Δ c, + Δ c, Δ c, ( 96,9) + ( 85,9) ( 56,8) kjmol 6. Calcula la entalpía estándar de formación del etino, C (g), a partir de las entalpías estándar de combustión del C (grafito), el (g) y el C (g), mediante la suma algebraica de las correspondientes ecuaciones termoquímicas. Datos. Δ [ C (grafito)] 9 kjmol ; Δ [ (g)] 86 kjmol ; Δ [ C (g)] kjmol c c A partir de las reacciones de combustión se puede obtener la reacción de formación del C (g), que es: C (grafito) + (g) C (g) c () (grafito) + (g) C (g) C () (g) + (g) (l) () (g) + 5 (g) C (g) (l) C + Δ Δ Δ c, c, c, 9 kjmol 86 kjmol kjmol Utilizando la ley de ess y haciendo con las ecuaciones la siguiente combinación: () + () () () C (grafito) + (g) C (g) Δ Δ ( 9) 786 kj ( ) (g) + (g) (l) Δ Δ 86 kj c, c, () C (g) + (l) C (g) 5 (g) Δ Δ kj + c, () + () () C (grafito) + (g) C (g) f Δ (C ) ( 786) + ( 86) + 8 kjmol

6. Calcula las entalpías estándar de las siguientes reacciones a partir de las entalpías de formación de reactivos y productos. a) C (g) + (g) C (l) b) N (g) + Cl (g) NCl (s) c) C (g) + (l) C (g) + (g) Datos. Δ [ C(g) ],5 kjmol ; Δ [ C (l) ] 8,9 kjmol ; Δ [ N (g)] 6,kJmol f f Δ [ Cl(g) ] 9, kjmol ; Δ [ (l) ] 85,8 kjmol ; [ C (g)] 9,5 kjmol f a) Δ ΣΔ ΣΔ Δ ( C (l)) f f f Δ. [ ] [ Δ ( C (g)) + Δ ( (g))] f (productos) f (reactivos) f f f Δ ( 8,9) [(,5) + ] 8,9 +,5 8, kjmol b) Δ ΣΔ ΣΔ Δ ( N Cl (s)) Δ f (productos) (,) f (reactivos) [ ] [ Δ ( N (g)) + Δ ( Cl (g))] f [( 6,) + ( 9,) ], + 8, 76, kjmol c) Δ ΣΔ ΣΔ Δ ( C (g)) + Δ ( (g)) f [ ] [ Δ ( C (g)) + Δ ( (l))] f (productos) f (reactivos) f f f f Δ [( 9,5) + ] [(,5) + ( 85,8) ] 9,5 + 96,,8 kjmol f ENTALPÍA DE ENLACE. INTERPRETACIÓN MLECULAR DE UNA REACCIÓN 6. a) Predice el signo de la entalpía de la reacción, Δ m, (g) + (g) (g) sin consultar datos de entalpías de enlace. b) Calcula el valor de la entalpía de la reacción a partir de las entalpías de enlace. Datos. d Δ ( ) 6 kjmol ; d Δ ( ) 98 kjmol ; d Δ ( ) 6 kjmol a) En primer lugar, se debe escribir la ecuación mediante fórmulas desarrolladas: ( ) (g) + ( ) (g) ( ) (g) Se observa que en el proceso se rompen dos enlaces y un enlace, y que se forman cuatro enlaces. Teniendo en cuenta que la formación de enlaces libera energía y que la ruptura de estos la absorbe, cabe predecir que el balance final dará lugar a un desprendimiento de energía, ya que el número de enlaces rotos es menor que el de los formados. Así pues, el proceso sería exotérmico, y el signo de la entalpía de la reacción, negativo ( Δ m < ). b) Para calcular el valor de la entalpía de la reacción a partir de las entalpías de enlace, deben sumarse las entalpías de disociación de los enlaces que se rompen, con las entalpías de formación de los enlaces formados, que son iguales a las de disociación, pero con signo negativo. Es decir: Δ m ΣΔ d(enlaces rotos) ΣΔ d(enlaces formados) [ Δ ( ) + Δ ( ) ] Δ ( ) Δ 6 + 98 6 8 kj (proceso exotérmico) m d d [ ] d ; 5

6.5 Para calcular la entalpía del enlace P en el P (g) hay que conocer la entalpía de atomización del P (g). a) Escribe la ecuación de la reacción de atomización del P (g). b) Dibuja el diagrama de niveles de entalpía que permita calcular la entalpía de atomización del P (g) a partir de las Δ f de cada sustancia. c) Calcula la entalpía de atomización del P (g) a partir de este diagrama. d) Calcula la entalpía estándar de disociación del enlace P. Datos. Δ [ P (g)],5 kjmol ; Δ [ (g) ] 7,9 kjmol ; Δ [ P (g)] 9, kjmol f f f a) La ecuación de la reacción de atomización del P (g) es: P b) El diagrama de niveles de entalpías sería: (g) P (g) + (g) Δ at Δ (kj) 968, kj P (g) + (g) _ 9, kj P (s) + (g) P (g) c) Cálculo de la entalpía estándar de atomización del P (g): () P (s) P (g) () (g) (g) () (s) + (g) P (g) P Δ Δ f, f, Δ f,,5 kjmol 7,9 kjmol 9, kjmol Utilizando la ley de ess y haciendo con las ecuaciones la siguiente combinación: ( ) + () () ( ) P (s) P (g) Δ Δ,5 kj () (g) (g) Δ Δ 7,9 65,7 kj f, f, f, () P (g) P (s) + (g) Δ Δ 9, kj ( ) + () () P (g) P (g) + (g) Δ at (P (g)),5 + 65,7 + 9, 977, kjmol d) La entalpía estándar de disociación del enlace P será: d at Δ Δ (P ) (P (g)) 977, (kjmol ) 5,8 kjmol 6.6 La entalpía estándar de sublimación del diamante es 76,5 kj mol -. En la estructura gigante covalente del diamante, cada átomo de carbono está unido a otros átomos de carbono. Cuál es la entalpía de disociación del enlace C C? El proceso que tiene lugar es: C (diamante) C (g) Δ sub 76,5 kjmol En la estructura del diamante, cada C está unido a otros cuatro átomos de C, de hecho, cada enlace roto afecta a dos átomos de C. Por cada mol de C (g) obtenido se ha roto un promedio de dos enlaces, por tanto: sub Δ Δ d (C C) 76,5 (kjmol ) 58, kjmol 6

6.7 Determina la entalpía estándar de las siguientes reacciones a partir de los valores de las entalpías de enlace necesarias. a) Cl (g) + C C (g) CCCl (g) b) (g) + F (g) N (g) F (g) N + c) C C (g) C C (g) + (g) Por qué la entalpía de la reacción (c) no concuerda con la entalpía estándar calculada a partir de las entalpías estándar de formación? Datos. d Δ (C C) 6 kjmol ; d Δ ( Cl) kjmol ; d Δ (C ) kjmol ; d Δ (C Cl) 8 kjmol ; d Δ (C C) 8 kjmol ; d Δ (N ) 9kJmol ; d Δ (N N) 6 kjmol ; d Δ ( F) 567 kjmol ; d Δ (F F) 59 kjmol ; d Δ (C ) 58 kjmol ; d Δ (N N) 95 kjmol ; d Δ ( ) 6 kjmol a) Cl (g) + C C (g) CCCl (g) I I I I Cl (g) + C C (g) C C Cl (g) I I I I Δ m ΣΔ d(e. rotos) ΣΔ m d(e. formados) [ Δ ( Cl) + Δ ( C C) ] Δ ( C C) + Δ ( C Cl) + Δ ( C ) d d [ ] Δ (+ 6) (8 + 8 + ) kjmol (proceso exotérmico) d d d b) (g) + F (g) N (g) F (g) N + Δ m ΣΔ d(e. rotos) m I I N N (g) + F F (g) N N (g) + F (g) I I ΣΔ d(e. form) [ Δ ( N N) + Δ ( N ) + Δ ( F F) ] Δ ( N N) + Δ ( F) d d d [ ] Δ (6 + 9+ 59) (95 + 567) 68 kjmol (proceso exotérmico) d d c) C C (g) C C (g) + (g) Δ m ΣΔ d(e. rotos) m I I C C I I ΣΔ d(e. formados) (g) I I C C (g) I I + (g) [ Δ ( C ) + Δ ( C C) + Δ ( C ) ] Δ ( C C) + Δ ( ) d Δ ( + 8 + 58) (6 + 6) kjmol (proceso endotérmico) d d [ ] No concuerda, porque en condiciones estándar, el agua y el etanol son líquidos, mientras que en este proceso de deshidratación ambos aparecen en estado gaseoso. d d 7

ENTRPÍA Y DESRDEN. SEGUND PRINCIPI DE LA TERMDINÁMICA 6.8 Qué sustancia de las siguientes parejas tiene mayor entropía molar estándar? Justifica la respuesta. a) Fe (s) o Fe (l) b) C (g) o C 8 (g) c) KCl (aq) o KCl (s) d) e (g) o Kr (g) a) Sm [Fe (l)] > Sm [Fe (s)]. Una sustancia en estado líquido presenta siempre mayor desorden molecular que en estado sólido, pues sus átomos o moléculas tienen más libertad de movimientos, y su entropía es mayor. b) Sm [C8 (g)] > Sm[C (g)]. La molécula de C 8 tiene mayor número de átomos que la de C, por lo que es más compleja y su energía puede distribuirse a lo largo de la molécula de formas más variadas. c) Sm [KCl (aq)] > Sm[KCl (s)]. Una sustancia en disolución presenta siempre mayor desorden molecular que en estado sólido pues, en disolución, los átomos de K y Cl se encuentran formando iones K + y Cl, por lo que tienen más libertad de movimientos, y su entropía es mayor. d) Sm [Kr (g)] > Sm [e (g)].los átomos de Kr son mayores que los de e, por lo que tiene más niveles de energía permitidas y esta puede distribuirse por el átomo de forma más variada. 6.9 Calcula el aumento de entropía del entorno, S ent, si absorbe kj de calor de forma reversible a las siguientes temperaturas e interpreta el resultado. a) 5 K b) 5 K c) 5 K a) b) c) Δ S Δ S Δ S ent ent ent q T rev q T rev q T rev (J) 5 (K) (J) 5 (K) (J) 5 (K) JK JK, JK Puesto que la entropía es una medida de desorden molecular y aumenta con la temperatura, es lógico que el incremento de J provoque, relativamente, un aumento de entropía mayor a 5 K que a 5 K, y a 5 K, mayor que a 5 K. A esta temperatura elevada, la absorción de J de energía no supone ningún aumento perceptible del desorden molecular. 6. Predice cuál de las siguientes reacciones tendrá una variación de entropía: positiva, negativa o aproximadamente cero. Justifica la respuesta. a) N Cl (s) N (g) + Cl (g) b) C (g) + (g) C (g) + (g) c) (g) + 5 (g) C (g) (g) C 8 + d) (g) + I (g) I (g) a) Δ S m >, pues aumenta el número de moléculas gaseosas ( Δ ν ν ν ). gas gas (prod.) gas (react.) b) Δ S m, pues el número de moléculas gaseosas no varía ( Δ ν ν ν ). gas gas (prod.) gas (react.) c) Δ S m >, pues aumenta el número de moléculas gaseosas ( Δ ν ν ν 7 6 ). gas gas (prod.) gas (react.) d) Δ S m, pues el número de moléculas gaseosas no varía ( Δ ν gas ν gas (prod.) ν gas (react.) ), aunque las moléculas formadas son más complejas, por lo que el signo podría ser ligeramente positivo. 8

6. Calcula las entropías molares estándar de las reacciones del ejercicio, y comprueba las predicciones hechas. Datos. S [ N Cl(s) ] 9,6 JK mol ; S [ N (g)] 9, JK mol ; S [ Cl(g) ] 86,8 JK mol S S S m m m m m m ; [ C (g)] 87,9 JK mol ; S [ (g)] 5, JK mol ; S [ C (g)],7 JK mol m m ; [ (g) ] 88,8 JK mol ; S [ C (g)] 69,9 JK mol ; S [ (g)],7 JK mol [ I (g)] 6,6 JK mol ; S [ I(g) ] 6,6 JK mol a) N Cl (s) N (g) + Cl (g) Δ S Δ S m m ΣS m(productos) ΣS m m m(reactivos) [ S ( N (g)) + S ( Cl (g))] S ( N Cl (s)) m m 8 m ; [ ] 9, + 86,8 9,6 8,6 JK mol m b) C (g) + (g) C (g) + (g) Δ S Δ m ΣS m(productos) ΣS m(reactivos) [ S ( C (g)) + S ( (g))] S ( C (g)) S ( (g)) [ ] Sm m m m + m Δ S m (,7 + 88,8) (87,9 + 5,) 6,8 JK mol c) (g) + 5 (g) C (g) (g) C 8 + Δ S Δ m ΣS m(productos) ΣS m(reactivos) [ S ( C (g)) + S ( (g))] S ( C (g)) 5S ( (g)) [ ] Sm m m m 8 + m Δ S m (,7 + 88,8) (69,9 + 5 5,),9 JK mol d) (g) + I (g) I (g) Δ S Δ m ΣS m(productos) ΣS m(reactivos) [ S ( I (g))] S ( (g)) S ( I (g)) [ ] Sm m m + m 6,6 (,7 + 6,6),9 JK mol 6. La formación del formaldehído (g) + C (g) C (g) transcurre con Δ S m 9,6 JK mol m Δ +,96 kjmol y. Calcula el cambio de entropía del entorno y el cambio de entropía total a 5 ºC, y predice la espontaneidad de la reacción a esta temperatura. Δ S ent Δ T m,96 (Jmol 98 (K) ) + 6,58 JK mol total m Δ S ΔS + ΔS 9,6 + 6,6 JK mol. ent Puesto que Δ S total <, la reacción no será espontánea. 9

ENERGÍA LIBRE DE GIBBS 6. Calcula la energía libre de Gibbs estándar de la reacción: N (g) + (g) N (g) teniendo en cuenta que m Δ 9, kjmol y reacción será espontánea a 5 ºC en condiciones estándar. m Δ S 98,7 JK mol a 5 ºC. Predice si la Δ G m Δ m TΔS m 9, (kjmol ) 98 (K) ( 98,7 ) (kjk mol ),8 kjmol Puesto que Δ G m <, la reacción será espontánea a 98 K. 6. Calcula la energía libre de Gibbs estándar de las siguientes reacciones a 5 ºC a partir de las energías libres estándar de formación, y predice si serán o no espontáneas. a) (s) + (g) C (g) C b) (g) + (g) N (g) N c) S (g) + (g) S (g) d) C (g) + 6 (l) C (s) 6 (g) 6 6 6 + Datos. Δ G [ C (g)] 9, kjmol ; Δ G [ N (g)] 6,7 kjmol ; G [ S (g)] 7, kjmol f f Δ ; Δ G [ S (g)], kjmol ; Δ G [ (l) ] 7, kjmol ; Δ G [ C (g)] 9 kjmol f a) (s) + (g) C (g) C Δ G Δ G m m ΣΔG f (productos) ΣΔG f f (reactivos) [ ΔG ( C (g))] ΔG ( C (s)) + ΔG ( (g)) f [ ] ( 9,) [ + ] 9, kjmol f f f 6 f 6 b) (g) + (g) N (g) N Δ G Δ G m m ΣΔG f (productos) ΣΔG f (reactivos) [ ΔG ( N (g))] ΔG ( N (g)) + ΔG ( (g)) f [ ] ( 6,7) [ + ], kjmol f f c) S (g) + (g) S (g) Δ G Δ G m m ΣΔG f (productos) ΣΔG f (reactivos) [ ΔG ( S (g))] ΔG ( S (g)) + ΔG ( (g)) f [ ] ( 7,) [ (,) + ] kjmol f f d) C (g) + 6 (l) C (s) 6 (g) 6 6 6 + Δ G Δ m ΣΔG f (productos) ΣΔG f (reactivos) [ ΔG ( C (s)) + 6 ΔG ( (g))] 6 ΔG ( C (g)) + 6 ΔG ( (l)) [ ] Gm f 6 6 f f f Δ G m [( 9) + 6 ] [ 6 ( 9,) + 6 ( 7,) ] 879 kjmol

6.5 Clasifica las reacciones siguientes según los tipos posibles. a) (g) + F (g) NF (g) N b) (g) + Cl (g) NCl (g) N c) F (g) NF (g) N d) (g) + 5 (g) C (g) (g) C 8 + Reacción Δ m (kj mol - ) Δ S m (J K - mol - ) a 9 77,8 b +6 75 c +9, +9,8 d,7 +, Indica, en los casos pertinentes, si la reacción será espontánea a baja o alta temperatura. A partir de la ecuación de la energía libre de Gibbs, Δ G m Δ entropía estándar del proceso, podemos deducir el signo de Δ m TΔS G m m. Así pues:, y conocido el signo de la entalpía y de la a) (g) + F (g) NF (g) N Δ m < y ΔSm < ΔGm < Espontánea a temperaturas bajas. b) (g) + Cl (g) NCl (g) N Δ m > y ΔSm < ΔGm > No espontánea a cualquier temperatura. c) F (g) NF (g) N Δ m > y ΔSm > ΔGm < Espontánea a temperaturas altas. d) (g) + 5 (g) C (g) (g) C 8 + Δ m < y ΔSm > ΔGm < Espontánea a cualquier temperatura.

6.6 El proceso de congelación del agua: (l) (s) presenta los siguientes valores para la entalpía estándar de congelación y la entropía estándar de congelación a ºC: Δ 6, kjmol ; Δ S, JK mol cong cong a) Por qué el agua no congela a 5 ºC y sí a ºC? Nota. Calcula la variación de la energía libre de Gibbs de congelación estándar, Δ, del agua a la temperatura de 5 ºC y a la de ºC. Considera que los valores de G cong Δ cong y Δ S cong no varían con la temperatura. b) Cuál es la temperatura mínima para que congele el agua? a) A 5 ºC (98 K): Δ G cong Δ cong TΔS Puesto que Δ G cong > cong 6, (kjmol ) 98 (K) (, ) (kjk mol ),556 kjmol, a 5 ºC el proceso no es espontáneo y el agua no se congela. A ºC (6 K): Δ G cong Δ cong TΔS cong 6, (kjmol ) 6 (K) (, ) (kjk mol ), kjmol Puesto que Δ G cong <, a ºC el proceso es espontáneo y el agua se congela. b) La temperatura mínima para que se congele el agua será aquella a la que Δ G cong : cong cong Δ cong 6, (kjmol ) Δ TeqΔScong Teq ΔS, (kjk mol ) 7 K (º C) 6.7 Calcula a qué temperatura es termodinámicamente posible que el carbono reduzca al óxido de hierro (III) mediante la reacción: Fe (s) + C (s) Fe (s) + C (g) Datos. Δ f [ Fe (s)] 8, kjmol ; Δ f [ C (g)] 9,5 kjmol ; Sm [ Fe(s) ] 7, JK mol S [ Fe (s)] 87, JK mol ; S [ C(grafito) ] 5,7 JK mol ; S [ C (s)],7 JK mol m Δ m ΣΔ m f (productos) Δ m ΣΔ f (reactivos) m m ; [ Δ ( Fe (s)) + Δ ( C (g))] Δ ( Fe (s)) + Δ ( C (s)) f f [ ] [ + ( 9,5) ] [ ( 8,) + ] 8,5 + 68, 67,9 kjmol Δ S ΣS ΣS S ( Fe (s)) + S ( C (g)) S m(productos) Δ S m m(reactivos) [ ] [ ( Fe (s)) S ( C (s))] m m m + ( 7, +,7 ) ( 87, + 5,7 ) 558, kjk mol f m f Calculamos la temperatura de equilibrio. Para ello, se debe cumplir que Δ G m, es decir: Δm 67,9 (kjmol ) Δm TeqΔSm Teq 88 K ΔS 558, (kjk mol ) m Dado que Δ m > y Δ S m >, a partir de la expresión Δ G Δ TΔS podemos deducir que a temperaturas superiores a la de equilibrio (88 K), se cumple que TΔ S m > Δ y, por tanto, Δ G m <, por lo que el proceso de reducción del óxido de hierro (III) con carbono es espontáneo. m m m m

6.8 Los tubos de estaño de los órganos de las iglesias sufren la llamada peste del estaño, consistente en que el estaño blanco (forma metálica del estaño) se transforma en estaño gris (forma no metálica, con aspecto de polvo). Determina a partir de qué temperatura se produce la peste del estaño. Datos. Δ f [ Sn(blanco) ], kjmol ; f [ Sn(gris) ],9 kjmol S [ Sn(blanco) ] 5,55 JK mol ; S [ Sn(gris) ], JK mol m El proceso que tiene lugar es: Δ ΔS m m ΣΔ ΣS f (productos) m(productos) ΣΔ ΣS m f (reactivos) m(reactivos) Δ ; Sn (blanco) Sn (gris). [ Δ ( Sn (gris))] Δ ( Sn (blanco)) f [ ] [ S ( Sn (gris))] S ( Sn (blanco)) m f [ ] m,9,9 kjmol, 5,55 7, JK mol Calculamos la temperatura de equilibrio. Para ello, se debe cumplir que Δ G m, es decir: Δm,9 (kjmol ) Δm TeqΔSm Teq ΔS 7, (kjk mol ) m 8 K (9, º C) Dado que Δ m < y Δ S m <, a partir de la expresión Δ G Δ TΔS podemos deducir que a temperaturas inferiores a la de equilibrio (8 K), se cumple que que el proceso es espontáneo. m m m m TΔ S m < Δ y, por tanto, Δ G m <, por lo

7 Cinética química EJERCICIS PRPUESTS 7. Para la reacción N (g) N (g), la velocidad de formación de N, en cierto intervalo de tiempo, vale, mol L s. Cuánto vale, en ese intervalo, la velocidad de desaparición de N? Dada la estequiometría de la reacción, por cada mol de N que desaparece, se forman mol de N. Es decir: Δ [ N ] Δ[N ] Δ[N ] Por tanto, vdesap. (N ) Δ t Δ [N] v Δ t apar. (N ) (, mol L s ), mol L s. 7. En cuál de las siguientes unidades puede expresarse la velocidad de una reacción?: a) mol L s b) c s (siendo c la concentración molar) La velocidad de una reacción es una magnitud positiva que expresa el cambio de la concentración de un reactivo o un producto con el tiempo. Solo las unidades del apartado a) expresan esa relación. 7. Da una explicación a los siguientes hechos: a) El ácido clorhídrico concentrado ataca al mármol más rápidamente que el diluido. b) Las luciérnagas lucen con más intensidad en las noches calurosas que las frías. a) Al aumentar la concentración de los reactivos, la reacción transcurre más deprisa. Por tanto, la velocidad de la reacción es tanto mayor cuanto más concentrado sea el ácido, pues es uno de los reactivos. b) Cuanto más alta sea la temperatura de un sistema, mayor energía cinética poseen sus moléculas, lo que supone un aumento de la frecuencia con que estas chocan entre sí. Este aumento del número de colisiones moleculares se traduce en el aumento de la velocidad de reacción. 7. El circonio y otros metales son pirofóricos, esto es, pueden arden espontáneamente en el aire si se encuentran finamente divididos. Sin embargo, en forma de bloque, son estables. Cómo se explica la diferencia? Cuando se reduce el tamaño de las partículas de un sólido, aumenta la superficie total del mismo, de modo que aumenta el área de contacto con los otros reactivos. Ello se traduce en un aumento de la velocidad de reacción. Por dicha razón, la velocidad de la reacción de un metal con el oxígeno es tanto mayor cuanto más finamente se encuentre divido el metal. 7.5 La ecuación de la velocidad de la reacción: N (g) + (g) N (g) + (g) viene dada por la siguiente expresión experimental, v k[n] [ ]. Cuál es el orden de esta reacción con respecto a cada uno de los reactivos y el orden total? El valor del exponente al que está elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de velocidad se denomina orden de la reacción con respecto a dicho reactivo. La suma de todos los exponentes que aparecen en la ecuación de velocidad se llama orden total o, simplemente, orden de la reacción. Así, para la reacción cuya ecuación de velocidad es v k [N] [ ], es de orden con respecto al reactivo N, de orden con respecto al reactivo y de orden total.

7.6 En cierto rango de temperaturas, la descomposición del etanal: C C (g) C (g) + C (g) es una reacción de orden tres medios. Escribe la ecuación de la velocidad. v k [C C] 7.7 Para la reacción: N (g) + (g) N (g) + (g) se puede predecir la ley de velocidad sabiendo que es una reacción elemental? En general, en una reacción elemental los exponentes de la ley de velocidad coinciden con los coeficientes de la ecuación correspondiente a la etapa elemental; es decir, el orden de la reacción coincide con la molecularidad. Como la reacción dada es elemental, la ley de velocidad debe ser: k [N][ ] v 7.8 Indica cuál es la molecularidad de cada una de las dos etapas del mecanismo propuesto en el epígrafe para la reacción: N (g) + (g) N (g) La primera etapa: N (g) + N (g) N (g) es bimolecular (su molecularidad es igual a ), ya que es una reacción elemental (por ser una etapa del mecanismo) en la que participan dos moléculas. Por la misma razón, la segunda etapa: (g) + (g) N (g) es también bimolecular. N 7.9 Partiendo de la gráfica dada, ln k frente a /T, de una reacción, determina la energía de activación de la misma. ln k Pte T De acuerdo con la ecuación de Arrhenius: k A e E a RT Tomando logaritmos neperianos, nos queda: lnk Ea ln A R T Por tanto, al representar gráficamente el ln k frente a /T, se obtiene una recta de pendiente dado que la pendiente es K: Ea (K) Ea R (K) 8,(J K mol ) (K) 8,Jmol R E a R T. Por tanto, 5

7. Algunos detergentes para la ropa incorporan en su fórmula enzimas tales como la lipasa. Cuál es la función de estas enzimas? Aumentar la velocidad de la reacción de descomposición de las grasas presentes en la ropa. 7. Cuál es el papel de la especie Cl en la descomposición de ozono catalizada por átomos de cloro, cuyas etapas se describen en el texto? Es un intermediario de reacción, ya que se produce en una etapa del mecanismo y desaparece en otra etapa posterior. EJERCICIS Y PRBLEMAS VELCIDAD DE REACCIÓN. FACTRES DE QUE DEPENDE 7. La lejía es una disolución de hipoclorito de sodio, NaCl, en agua. Se descompone según: NaCl (aq) NaCl (aq) + NaCl (aq) A temperatura ambiente, la reacción es muy lenta, pero cuando se calienta a 8 ºC, la velocidad de formación de NaCl es de,8 mol L min. Calcula la velocidad de desaparición de NaCl y la velocidad única de reacción. De acuerdo con la estequiometría de la reacción, se forman mol de NaCl por cada mol de NaCl que desaparecen. Es decir, Por tanto: Δ[NaCl] Δ[NaCl] vdesaparición NaCl v Δt Δt La velocidad única de reacción es: v Δ[NaCl] Δt Δ [ NaCl] Δ[NaCl] aparición NaCl Δ[NaCl], (mol L Δt,8 (mol L min min ), mol L ), mol L min min 7. La azida de sodio, NaN, se utiliza en los airbags. Aunque es estable a temperatura ambiente, por encima de los 75 ºC, se descompone según la reacción: NaN (s) Δ Na (s) + N (g) La reacción es tan rápida que en milisegundos se descompone un mol de NaN, produciendo unos 5 L de gas N, que infla la bolsa del airbag. Calcula la velocidad media de aparición de nitrógeno. Expresada en litros de nitrógeno producidos por segundo, la velocidad de aparición de N resulta: ΔV N vaparición N Δt 5 (L) 875 L s (s) 7. Algunos fuegos artificiales emiten una luz muy brillante debido a la combustión de magnesio metálico. Tiene importancia el tamaño de las piezas de magnesio utilizadas? Qué ocurriría si se utilizaran piezas grandes? Si las piezas de magnesio fueran muy grandes, el área superficial en contacto con el oxígeno sería muy pequeña y, en consecuencia, la velocidad de la reacción de combustión sería demasiado pequeña, por lo que no se observaría emisión de luz. 6

7.5 El N, conocido como gas de la risa, es inestable y se descompone en sus elementos: N (g) N (g) + (g) Dado que el N proporciona un mol de por cada moles de N ; mientras que el aire solo proporciona un mol de por cada moles de N, una vela arde brillantemente en su seno. Sin embargo, como ya observó J. Priestly en 77, un ratón no puede vivir en este gas. Explica por qué. A temperatura ambiente, la velocidad de descomposición de N en N (g) y (g) es extremadamente baja. Por tanto, la cantidad de oxígeno presente en un recipiente lleno de N es despreciable. 7.6 El azúcar se oxida en las células del cuerpo a 7 ºC. Sin embargo, fuera del cuerpo, dicha reacción solo ocurre a temperaturas superiores a 6 ºC. Cómo se puede explicar esta diferencia? La energía de activación, E a, de la reacción de oxidación de la glucosa es muy alta. Por ello, en ausencia de un catalizador, se necesitan temperaturas muy altas para que transcurra a una velocidad apreciable. Sin embargo, en presencia de un catalizador adecuado que proporcione un camino de reacción con una energía de activación baja, E a, la reacción transcurre a un velocidad alta incluso a la temperatura baja del cuerpo humano. RDEN DE REACCIÓN Y LEY DE VELCIDAD 7.7 La hemoglobina (b) en la sangre se une al oxígeno formando oxihemoglobina (b ), que transporta el oxígeno a los tejidos del cuerpo. La reacción correspondiente: b (aq) + (aq) b (aq) es de primer orden con respecto a la hemoglobina y de primer orden con respecto al oxígeno disuelto, con una constante de velocidad igual a 7 L mol s. Calcula la velocidad inicial con la que la hemoglobina se unirá al oxígeno si la concentración de hemoglobina es,5 9 mol L y la de oxígeno es, 5 mol L. La reacción es de primer orden respecto a ambos reactivos, por lo que la ley de velocidad es: k [b][ ] Sustituyendo los valores dados de las concentraciones y de la constante de velocidad, se obtiene: v k [b][ v 7 9 5 6 ] (Lmol s ),5 (moll ), (moll ) moll s 7.8 La ley de velocidad determinada experimentalmente para cierta reacción es: v k[a] [B]. Explica qué pasa con la velocidad de dicha reacción cuando: a) Se triplica la concentración de A. b) Se reduce a la mitad la concentración de A. c) Se duplica la concentración de B. Según la ecuación de velocidad determinada experimentalmente, la velocidad es proporcional al cuadrado de la concentración del reactivo A. Por tanto, a) Si triplicamos la concentración de A, manteniendo constante la de B, la velocidad se multiplica por 9. b) Si la concentración de A se reduce a la mitad, la velocidad se multiplica por, esto es, la velocidad se reduce a la cuarta parte. La velocidad es directamente proporcional a la concentración del reactivo B. Por tanto, c) Si duplicamos la concentración de B, manteniendo constante la de A, la velocidad se duplica. 7

7.9 Entre las sustancias utilizadas en la guerra química, el fosgeno ( CCl ) es el responsable del mayor número de muertes. Se produce a partir del C y Cl : C (g) + Cl (g) CCl (g) a) Determina la ley de velocidad para la reacción a partir de los datos de la tabla. Concentración inicial (mol L ) [C] [Cl ],,,,,, Velocidad inicial de formación de CCl (mol L s ),,,68 b) Calcula la constante de velocidad, k. a) En principio, esperamos que la ley de velocidad sea de la forma: v k [C] Dividiendo el valor de la velocidad, v, de la experiencia por el correspondiente a la experiencia, v : m n m n v k [C] [Cl], k (,) (,), m ; ; ; ; m m n m n (orden respecto a C) v k [C] [Cl], k (,) (,), Dividiendo el valor de la velocidad, v, de la experiencia por el correspondiente a la experiencia, v : m n n v k [C] [Cl],68 k (,)(,), n ; ;,8 ;,8 ; n m n n (orden respecto a Cl ) v k [C] [Cl], k (,)(,), La ley de velocidad es: v k [C][Cl ] m [Cl n ] n m b) Despejando k, y sustituyendo los datos de cualquier experiencia: k [C] v,(moll s ) L mol s [Cl], (moll ), (mol L ) 7. Uno de los principales irritantes oculares del esmog es el formaldehído, C, que se forma en la reacción: C (g) + (g) C (g) + (g) a) Determina la ley de velocidad para la reacción. b) Determina la constante de velocidad, k. c) Calcula la velocidad de reacción cuando [C ] y [ ] son ambas, 7 mol L. Concentración inicial (mol L ) [C ] [ ],5 7, 8,5 7, 8, 7, 8 Velocidad inicial de formación de C (mol L s ),,, 8

a) En principio, esperamos que la ley de velocidad sea de la forma: v k [C m n ] [] Dividiendo el valor de la velocidad, v, de la experiencia por el correspondiente a la experiencia, v, y de acuerdo con la ley de velocidad, resulta: m n 7 m v k [C ] [], k (,5 ) (, ),5 m ; ; ; ; m m n 7 m 8 n. rden en C. v k [C ] [], k (,5 ) (, ),5 Dividiendo el valor de la velocidad de la experiencia, v, por el correspondiente a la experiencia, v, y de acuerdo con la ley de velocidad, resulta: m 7 8 n v k [C ] [], k (, )(, ) n n ; ; ; ; n. rden en el reactivo m n 7 8 n. v k [C ] [ ], k (,5 )(, ) n Por tanto, la ley de velocidad es: k [C ][ ]. v 8 n b) Despejando k, y sustituyendo los datos de cualquier experiencia: v k [C ] [ ], 7,5 (moll (moll ), s 8 ) (mol L m, ) mol L s c) Sustituyendo en la ecuación cinética: v k [C 7 ][];v ( ),8 moll s 7. La siguiente reacción está implicada en la formación del esmog que contamina el aire: N (g) + (g) N (g) + (g) Se ha comprobado que esta reacción es de primer orden con respecto a ambos reactivos, el ozono y el N, y su constante de velocidad es, 7 L mol s. Calcula la concentración de N formada por segundo en un aire contaminado en el cual la concentración de es,6 8 mol L, y la de N,,6 8 mol L. Dado que la reacción es de primer orden con respecto a los dos reactivos, la ecuación de velocidad viene dada por la expresión: v k [N][ ] Sustituyendo los valores en la ley de velocidad, se obtiene: v k [N][ 7 8 8 9 ];v, (mol L s ),6 (moll ),6 (moll ) 5, moll s 7. Cuando se estudian reacciones gaseosas, tales como las que ocurren en la atmósfera, los químicos suelen expresar la velocidad en términos de presión. a) Cómo se expresa la ley general de velocidad en términos de presión? b) Si una velocidad de reacción tiene unidades de torr s -, cuáles son las unidades de k para una reacción de primer orden? Y para una de segundo orden? a) Sustituyendo en la ley de velocidad las concentraciones de los reactivos, elevadas a su orden de reacción respectivo, por sus presiones parciales, se obtiene la expresión: v k (p m n A ) (pb ) b) Para una reacción de primer orden, v k p. Despejando la constante de velocidad, resulta: consecuencia, las unidades de k, cuando la presión se mide en torr, son: k Para una reacción de segundo orden, v p unidades torr s torr v k. En p s v v k p. Despejando la constante de velocidad, resulta: k p v unidades torr s las unidades de k, cuando la presión se mide en torr, son: k p torr torr s. Así, 9

MECANISMS DE REACCIÓN 7. La ley de velocidad para la reacción global: N Cl (g) N (g) + Cl (g) es de primer orden en el cloruro de nitrilo: v k [NCl]. Explica por qué su mecanismo no puede ser la simple reacción elemental N Cl (g) N (g) Cl (g). + En una reacción elemental, los exponentes de la ley de velocidad coinciden con los coeficientes de la ecuación correspondiente a la etapa elemental; es decir, el orden de la reacción coincide con la molecularidad. Por tanto, si la reacción dada fuese elemental, la ley de velocidad debería ser: v k [N ] Es decir, la reacción debería ser de segundo orden. Dado que la ecuación de velocidad experimental es de primer orden, la reacción no puede ser elemental. 7. El bromuro de nitrilo se descompone en dióxido de nitrógeno y bromo: El mecanismo propuesto es: () N Br (g) N (g) + Br (g) (lenta) () N Br (g) + Br (g) N (g) + Br (g) (rápida) N Br (g) N (g) + Br (g) Escribe la ley de velocidad predicha para este mecanismo. La etapa más lenta del mecanismo es la determinante de la velocidad. En este caso, por tanto, la velocidad viene determinada por la etapa primera. Como las etapas de un mecanismo son reacciones elementales, la molecularidad de una etapa coincide con el orden. Por tanto, la ley de velocidad de la reacción dada es: v k [NBr] 7.5 Los envenenadores han utilizado mucho las sales de talio (I), para deshacerse de sus víctimas, tanto en la realidad como en la ficción. En disolución acuosa, el ion cerio (IV) oxida al talio (I). Los pasos elementales, en presencia de Mn (II) son: Ce Ce + + + + Mn + Mn + Tl + Mn + + Ce Ce Tl + + + + Mn + Mn + Mn a) Escribe la ecuación de la reacción química global. b) Identifica el catalizador y los intermediarios. c) Qué distingue a un catalizador de un intermediario? d) Deduce la ley de velocidad. + + + (lenta) (rápida) (rápida) a) Sumando las tres etapas de que consta el mecanismo, la reacción global de la reacción resulta: b) El ion + + Tl + Ce + Mn actúa como catalizador. Los iones Tl + Mn y + + Ce + + Mn son intermediarios de reacción. c) Un catalizador se consume en una etapa del mecanismo y se regenera en una etapa posterior. Un intermediario de reacción se produce en una etapa y se consume en otra etapa posterior. d) La primera etapa del mecanismo, por ser la más lenta, determina la velocidad de la reacción. Por tanto, y dado que las etapas son reacciones elementales, la ley de velocidad es: v k [Ce + + ][Mn ]

7.6 Un mecanismo posible para la descomposición del peróxido de hidrógeno en disolución acuosa es: (aq) + Br (aq) + Br (aq) Br (aq) Br (aq) + (l) (aq) + (l) + Cuál es la ecuación de la reacción global? Qué especie está actuando como un catalizador? ay algún intermediario de la reacción? Sumando las dos etapas de que consta el mecanismo, la reacción global de la reacción resulta: (aq) (l) + (g) El Br actúa como catalizador, ya que se consume en una etapa del mecanismo y se regenera en otra posterior. El Br es un intermediario de la reacción, ya que se produce en una etapa y se consume en otra posterior. (g) 7.7 La reacción entre el ozono y el dióxido de nitrógeno N (g) + (g) N5 (g) + (g) tiene la ley de velocidad experimental v k [N ][ ]. Durante la reacción se ha podido detectar la presencia de N como especie intermedia. Propón un mecanismo factible para la reacción. Para que el mecanismo sea compatible con la ley de velocidad experimental, la etapa lenta debe ser un proceso bimolecular que implique la colisión de una molécula de N con otra de. Un mecanismo posible es: Etapa : N (g) + (g) N (g) + (g) (lenta) Etapa : N (g) + N (g) N5 (g) (rápida) Es importante resaltar que la ley de velocidad deducida a partir del mecanismo propuesto debe coincidir con la ley de velocidad observada, pero esto no prueba que el mecanismo propuesto sea el correcto: puede ocurrir que algún otro mecanismo conduzca a la misma ecuación de velocidad. Los datos cinéticos pueden apoyar un mecanismo y descartar otros; nunca probar que un mecanismo dado es el correcto. 7.8 La síntesis de la urea, (N ) C, por calentamiento del cianato de amonio, N CN, disuelto en agua: N CN (N ) C realizada en 88, se considera un hito en la historia de la Química. Un mecanismo propuesto es: k k () N + + CN N + CN (rápida, en equilibrio) k () N + CN (N ) C (lenta) Cuál es la ley de velocidad predicha para este mecanismo? ( En equilibrio significa que la velocidad de la reacción directa es igual a la de la reacción inversa.) La velocidad de la reacción viene determinada por la etapa, ya que es el paso lento del mecanismo. Por tanto: k [N ][CN] v Como el N y el CN son intermediarios de la reacción, debemos expresar sus concentraciones en términos de las concentraciones de los reactivos. La velocidad de la etapa, en el sentido de izquierda a derecha, es: + v k [N ][CN ] Y la velocidad de la reacción en el sentido de derecha a izquierda, viene dada por la expresión: v k[n ][CN] Dado que la etapa alcanza el equilibrio, la velocidad debe ser la misma en los dos sentidos ( v v ): + k [N ][CN ] k k[n ][CN ] [N ][CN] [N ][CN] k k k + Sustituyendo en la expresión de velocidad anterior, se obtiene: v [N ][CN ] k +

ENERGÍA DE ACTIVACIÓN. CATÁLISIS 7.9 Indica, razonadamente, cuál o cuáles de las afirmaciones siguientes sobre catalizadores son ciertas: a) Un catalizador heterogéneo actúa mediante la unión de una o más de las moléculas que sufren la reacción a la superficie del catalizador. b) Las enzimas son proteínas que se encuentran de forma natural en los sistemas biológicos y que actúan en ellos como un catalizador. c) Un catalizador cambia la vía de una reacción de modo que la reacción se hace más exotérmica. a) Cierto. El mecanismo más común de la catálisis heterogénea se basa en la adsorción de las moléculas reaccionantes (generalmente, gases) en la superficie del catalizador (generalmente, un sólido). b) Cierto. Se denominan enzimas a los catalizadores de las reacciones que tienen lugar en los sistemas biológicos, siendo proteínas desde el punto de vista químico. c) Falso. La presencia de un catalizador positivo suministra un camino de reacción con una energía de activación menor, lo que se traduce en un aumento de la velocidad de reacción. El catalizador aumenta tanto la velocidad de la reacción directa como la de la reacción inversa, de modo que el estado de equilibrio se alcanza antes, pero las magnitudes termodinámicas, tales como Δ, no se ven afectadas. 7. Dos reacciones tienen idénticos valores de la energía de activación, E a. Asegura esto que las dos reacciones tengan el mismo valor de la constante de velocidad, k, cuando se lleven a cabo a la misma temperatura? No, ya que, de acuerdo con la ecuación de Arrhenius, k A e, la constante de velocidad, k, depende de la energía de activación y de la temperatura y, además, del parámetro A (factor de frecuencia). E a RT 7. Considerando que se necesita muy poca energía para convertir el grafito en diamante, cómo se explica la gran dificultad para conseguir dicha conversión? La energía de activación es muy alta, lo que se traduce en una velocidad de reacción muy pequeña. 7. Una manzana magullada se pudre, a temperatura ambiente ( ºC), en aproximadamente días. Si se mantiene refrigerada a ºC, la misma extensión de putrefacción ocurre en 6 días. Cuál es la energía de activación para la reacción de putrefacción? Dato. R 8, J K - mol - De acuerdo con la ecuación de Arrhenius: Tomando logaritmos neperianos, nos queda: k A e E a RT Ea lnk ln A R T Si utilizamos los subíndices y para referirnos a las dos temperaturas dadas, ºC y ºC, respectivamente, y dado que A, E a y R son constantes, obtenemos: Ea lnk ln A R T lnk Ea ln A R T Restando las dos ecuaciones anteriores, resulta: ln k E a E a k Ea lnk ln R T R T k R T T

Las velocidades son proporcionales a los valores de la constante de velocidad. Por otra parte, la velocidad de una reacción es inversamente proporcional al tiempo que tarda en producirse. En consecuencia: k k v v (días ) 6 (días ) Ea ln 8, (Jmol K E a ) 7 (K) 9(K) 8, (Jmol K,5 ) (K ) E a,6 Jmol 6 kjmol En la ecuación de Arrhenius, la temperatura debe expresarse en la escala absoluta (es decir, en grados Kelvin). 7. Las enzimas del hígado catalizan un gran número de reacciones que degradan sustancias tóxicas. Por qué factor cambia la velocidad de una reacción de detoxificación para la cual las enzimas del hígado disminuyen su energía de activación en 8 kj a 7 ºC? Dato. R 8, J K - mol - Utilicemos el símbolo prima (') para referirnos a los valores correspondientes a la reacción catalizada. La velocidad de reacción, v, es proporcional a la constante de velocidad, k, de la ecuación de Arrhenius: v k A e v k A e E a R T E a R T e Ea E a RT De acuerdo con el enunciado, la energía de activación de la reacción catalizada por las enzimas del hígado es 8 kj mol menos que la de la energía sin catalizar, es decir, E E 8 kjmol para una temperatura T K. Sustituyendo valores en la ecuación anterior, se obtiene: k E 8 (Jmol ) a E a RT 8, (JK mol ) (K) e k e a a, Es decir, la velocidad de la reacción catalizada es, veces mayor que la de la reacción sin catalizar. 7. A ºC, la leche fresca (no pasteurizada) se agria en 9 horas, pero si se mantiene en la nevera a 5 ºC, tarda en estropearse 8 horas. Calcula la energía de activación para el proceso de deterioro de la leche fresca. Dato. R 8, J K - mol - De acuerdo con la ecuación de Arrhenius, E a R T k A e. Tomando logaritmos neperianos, nos queda: Ea lnk ln A R T Utilizamos los subíndices y para referirnos a las dos temperaturas dadas, 5 ºC y ºC, respectivamente: Ea lnk ln A R T lnk Ea ln A R T ln k E a E a k Ea lnk ln R T R T k R T T Las velocidades son proporcionales a los valores de la constante de velocidad. Por otra parte, la velocidad de una reacción es inversamente proporcional al tiempo que tarda en producirse. En consecuencia: k k v v 9 (h ) 8 8 Ea ; ln 8 (h ) 9 9 8, (Jmol K ; E ) 78 (K) 9(K) a 7,6 Jmol 76 kjmol

7.5 Se ha estudiado la hidrólisis de la urea catalizada por la enzima ureasa: ureasa N C N + N C + y se ha observado que, a ºC, la energía de activación para la reacción catalizada y sin catalizar es, respectivamente,,9 y kj mol -. En qué factor aumenta la ureasa la velocidad de hidrólisis de la urea? Dato. R 8, J K - mol - Con el símbolo prima (') definimos los valores correspondientes a la reacción catalizada. Como la velocidad de reacción, v, es proporcional a la constante de velocidad, k, de la ecuación de Arrhenius, se obtiene: v k A e v k A e E a RT E a RT e Ea E a RT De acuerdo con el enunciado, la diferencia de energía de activación de la reacción catalizada y de la reacción sin catalizar es E E (kjmol ) 9 (kjmol ) para una temperatura T 9 K. Sustituyendo a valores en la ecuación anterior, se obtiene: a k E (Jmol ) 9 (Jmol ) a E a R T 8, (JK mol ) 9 (K) e k e, Es decir, la velocidad de la reacción catalizada es 6 veces mayor que la de la reacción sin catalizar. 6 7.6 La energía de activación para la descomposición del peróxido de hidrógeno: (aq) (l) + (g) es kj mol - ; en cambio, cuando la reacción está catalizada por la enzima catalasa, vale 7, kj mol -. Calcula a qué temperatura la velocidad de la reacción sin catalizar es igual a la velocidad de la reacción, a ºC, catalizada por la catalasa. Se supone que el factor de frecuencia es el mismo en ambos casos. De acuerdo con la ecuación de Arrhenius, a ºC: k cat, 9 K A e Ea, cat RT A e Ea, cat R(9 K) La constante de velocidad de la reacción sin catalizar es: k no cat, T Ea, no cat RT A e. Las velocidades serán iguales cuando las constantes de equilibrio sean iguales. Por tanto: k cat, 9 K k no cat, T A e Ea, cat R(9 K) A e Ea, no cat RT Ea, cat E 9 (K) a, no cat T Despejando T y sustituyendo los valores de la energía de activación para la reacción catalizada y sin catalizar: T Ea, 9 (K) E no cat (kjmol 9 (K) a, cat 7, (kjmol ),8 ) K 7.7 Un aumento de ºC en la temperatura raramente duplica la energía cinética de las partículas y, por tanto, el número de choques no se duplica. Sin embargo, este aumento de la temperatura puede ser suficiente para duplicar la velocidad de una reacción química. Cómo se puede explicar esto? Aunque el aumento en el número de choques sea pequeño al elevar la temperatura ºC, sí aumenta considerablemente el número de moléculas que poseen la energía suficiente para remontar la barrera de la energía de activación. Esto explica que el número de choques eficaces prácticamente se duplique.

7.8 Muchas reacciones que implican catálisis heterogénea son de orden cero. Un ejemplo es la descomposición de la fosfina (P, un gas muy tóxico utilizado como fumigante) en presencia de tungsteno, a presión suficientemente alta: W P (g) P (g) + 6 (g) Cómo puede explicarse que la velocidad de la reacción no dependa en absoluto de la concentración de la sustancia que se descompone? En la catálisis heterogénea, la velocidad está determinada por el área de la superficie del catalizador, y no por las concentraciones o presiones de los reactivos. 7.9 Dos reacciones similares tienen la misma constante de velocidad a 5 ºC, pero a 5 ºC, una de las reacciones tiene una constante de velocidad mayor que la otra. a) Da una explicación a este hecho. b) Cuál de las dos reacciones tiene una energía de activación más alta? a) La constante de velocidad depende de varios factores: el factor de frecuencia (A), la energía de activación E a R T (E a ) y la temperatura (T), de acuerdo con la ecuación de Arrhenius, k A e. A 5 ºC, k Ea RT Ea R T k A e A e ; pero esto no requiere que A A ni que E a E a, de modo que a una T distinta de 5 ºC la coincidencia casual de k k ya no se produce: A e Ea b) Tomando logaritmos neperianos, la ecuación de Arrhenius puede escribirse como: lnk ln A R T Esta expresión indica que la gráfica obtenida al representar ln k frente a es una línea recta, de T E pendiente a, lo que revela que cuanto mayor sea la energía de activación, Ea, más sensible es la constante de velocidad, k, a los cambios de temperatura. Así, de las dos reacciones dadas, la de mayor energía R de activación experimentará un mayor aumento de la constante k al elevar la temperatura. Ea RT A e Ea R T CNCENTRACIÓN DEL REACTIV EN FUNCIÓN DEL TIEMP 7. El peróxido de benzoílo, la sustancia más utilizada contra el acné, se descompone siguiendo una cinética de primer orden con una semivida de 9,8 días cuando se refrigera. En cuánto tiempo pierde el 5% de su potencia? La ecuación integrada de velocidad para una reacción de primer orden es: k t [A] [A] e, donde la constante de velocidad, k, está relacionada con la semivida, t /, por la expresión: ln k t Se pierde el 5% de potencia cuando la concentración de peróxido de benzoílo haya disminuido un 5%, es decir, cuando su concentración sea un 95% de la inicial: [ A],95[A]. Sustituyendo en la ecuación integrada de velocidad, se tiene: [A],95[A] k t k t [A] e,95 e ln,95 ln,95 Tomando logaritmos y expresando k en función de la semivida: ln,95 k t t t k ln ln,95 Sustituyendo el valor dado de la semivida, resulta: t t ln ln,95 9,8 (días) 7, días ln 5

7. Un bioquímico estudia la descomposición del insecticida DDT en el suelo y encuentra que decae en una reacción de primer orden, con una semivida de años. Cuánto tiempo debe transcurrir para que el DDT en una muestra del suelo disminuya desde 55 ppbm a ppbm? ( ppbm significa partes por billón en masa.) La ecuación integrada de velocidad para una reacción de primer orden es: [A] [A] e k t Despejando el tiempo y expresando la constante de velocidad, k, en función de la semivida, t /, resulta: [A] [A] ln ln 55 ln ln[a] ln[a] [A] [A] ln[a] ln[a] k t t t ; t (años) 57 años k k ln ln 7. La aspirina se descompone en el cuerpo en un proceso de primer orden. La semivida de la aspirina en personas adultas es de,7 horas. Calcula cuánta aspirina permanece en el torrente sanguíneo después de horas, a partir de una dosis de 6 mg. Puesto que la masa es proporcional a la concentración, la ecuación integrada de velocidad para una reacción k t k t de primer orden, [A] [A] e, puede expresarse en términos de masa como: m m e. Expresando la constante de velocidad, k, en función de la semivida, t /, resulta: m m e Sustituyendo valores, se obtiene: m 6 (mg)e ln,7 (h) (h),78 mg ln t t 7. El cisplatino, Pt (N ) Cl, utilizado en quimioterapia, reacciona con el agua: + + Pt(N ) Cl + [Pt(N ) ()Cl] Cl Supón que la concentración de cisplatino en el torrente sanguíneo de un paciente es,7 mol L -. Calcula cuál será la concentración horas más tarde, sabiendo que la reacción es de primer orden con k,87 min. La ecuación integrada de velocidad para una reacción de primer orden es: [ A] [A] k t e Sustituyendo valores, se obtiene: [A],7 (moll )e,87 (min ) 6(min), 5 moll 7. El yodo se utiliza para tratar tumores en el tiroides. Su semivida es de 8, días. Si un paciente ingiere una muestra que contiene 5, mg de I, cuánto tiempo será necesario para que solo quede el 5% de este isótopo en el paciente? Puesto que la masa es proporcional a la concentración, la ecuación integrada de velocidad para una reacción k t k t de primer orden, [A] [A] e, puede expresarse en términos de masa como: m m e. Despejando t en la ecuación anterior y expresando la constante k en función de la semivida, t /, se obtiene: lnm lnm lnm lnm k m ln m k m ln m ln k t t t Sustituyendo el valor de la semivida del I, el tiempo para el cual m,5 m, es decir, el tiempo para el cual la masa se ha reducido a un 5% del valor inicial, resulta: m ln m t ln t m ln,5m ln 8,(días) 6, días 6

7.5 La descomposición del C es de primer orden y su semivida vale 577 años. Mientras vive una planta o un animal, tiene una cantidad constante de C en sus moléculas. Cuando el organismo muere, el contenido de C disminuye por descomposición radiactiva, y puede estimarse la edad de un organismo antiguo midiendo el contenido residual de C. Si se encontró que el contenido de C de una rama de ciprés obtenida en la tumba de Sneferu, un rey del Antiguo Egipto, era el 5,9% del correspondiente a los árboles vivos, cuál es la edad de la rama? La ecuación integrada de velocidad para una reacción de primer orden en términos de masa es: m m e Despejando t en la ecuación anterior y expresando la constante k en función de la semivida, t /, se obtiene: k t lnm lnm lnm lnm k m ln m k m ln m ln k t t t Sustituyendo el valor de la semivida del C, el tiempo para el cual m,59 m, resulta: m ln m t ln t m ln,59 m ln 577 (años) 5 años 7.6 La semivida, t /, de una reacción de segundo orden es inversamente proporcional a la concentración de reactivo. Para la reacción orden A Productos, que es de segundo orden, t / es 6, s cuando [A] es,78 mol L -. Calcula el tiempo necesario para que la concentración de A disminuya a: a) Un cuarto de su valor inicial. b) Un dieciseisavo de su valor inicial. a) Como la semivida, t /, de una reacción de segundo orden es inversamente proporcional a la concentración de reactivo, si denominamos t / al valor de la semivida cuando la concentración es [A], entonces, cuando [ A] la concentración es [ A], la semivida es n t /. Así, por ejemplo, cuando la concentración es, la n semivida es t /; cuando la concentración es la semivida es 8 t /, etc. En consecuencia: [ A], la semivida es t /, cuando la concentración es t t [A] t t [A] t t [A] t 8 t [A] [ A] 8 6 Por tanto, la concentración de A se reduce a un cuarto de su valor inicial al cabo de: t t + t t 6 (s) 9 s [ A], 8 b) La concentración de A se reduce a un dieciseisavo de su valor inicial (es decir, a t t + t + t + 8 t 5 t 5 6 (s) 96 s [ A] ), al cabo de: 6 7

7.7 Una licenciada en Química encuentra que el amoníaco se descompone en sus elementos en un proceso de primer orden y obtiene los siguientes datos. Tiempo (s),, [N ] (mol L ),,986,97 a) Determina la constante de velocidad por métodos gráficos. b) alla la semivida de la descomposición del amoníaco. a) La ecuación integrada de velocidad para una reacción de primer orden es: [A] [A] e k t Tomando logaritmos neperianos en la expresión anterior, resulta: ln[a] ln[a] Esta última ecuación indica que la representación de la concentración de amoníaco frente al tiempo da una línea recta cuya pendiente es igual a la constante de velocidad cambiada de signo. k t ln[n ],86,8 Pendiente _ k,8,,, t(s) s La pendiente de la gráfica es, s. Por tanto, k. b) La semivida de la descomposición del amoníaco es: t ln ln k, (s, ) (Aunque los datos experimentales se dan con cuatro cifras significativas, el número de cifras significativas de los resultados viene limitado por el procedimiento gráfico: depende de la resolución de las escalas utilizadas en el dibujo de los ejes.) s 8

PRBLEMAS DE SÍNTESIS 7.8 Una de las reacciones implicadas en la destrucción del ozono en la estratosfera es: N (g) + (g) N (g) + (g) Para esta reacción en fase gaseosa, el factor de frecuencia es 6, 8 L mol s, y la energía de activación, kj mol -. a) Calcula la constante de velocidad a 7 K. b) Suponiendo que se trata de una reacción elemental, calcula la velocidad de reacción a 7 K si: [N], moll y [ ],5 mol. L a) Sustituyendo los valores dados en la ecuación de Arrhenius: k A e Ea R T 6, 8 (Lmol s ) e, (Jmol ) 8, (Jmol K ) 7(K) 7, Lmol s b) Si se supone que la reacción es elemental, la molecularidad coincide con el orden de reacción. Por tanto, la reacción es de primer orden con respecto a los dos reactivos, de manera que la ecuación de velocidad viene dada por la expresión: k [N][ ] v Sustituyendo los valores en la ley de velocidad, se obtiene: v k [N][ 7 ], (Lmol s ), (moll ),5 (moll ) moll s 7.9 El cloruro de sulfurilo, S Cl, se utiliza en la fabricación del clorofenol (un antiséptico común). En la descomposición del S Cl, a cierta temperatura, se obtuvieron los datos siguientes: Concentración inicial de S Cl (mol L - ),,, Velocidad inicial de formación de S Cl (mol L - s - ), 6, 6 6,6 6 a) Cuál es la ley de velocidad para esta reacción? b) Calcula la constante de velocidad. c) Determina el orden de la reacción. a) La ecuación de velocidad, en principio, tiene la forma: n ] v k [S Cl Dividiendo el valor de la velocidad, v, de la experiencia por el correspondiente a la experiencia, v, y de acuerdo con la ley de velocidad: n 6 n v k [SCl], k (,) n ; ; ; n. rden en el reactivo único S n 6 n Cl. v k [SCl], k (,) El mismo resultado se obtiene comparando los datos correspondientes a la experiencia, con los de la experiencia, o los de la experiencia. La ley de velocidad resulta: k [S Cl ]. v b) Despejando el valor de k en la ley de velocidad anterior, y sustituyendo los datos de una cualquiera de las experiencias, se obtiene: k [S 6 v, (moll s ) 5, s Cl], (mol L ) c) Puesto que el exponente al que está elevada la concentración del reactivo único, S Cl, en la ley de velocidad es, la reacción es de primer orden. 9

7.5 La semejanza entre el ICl y el Br es tan grande que privó al famoso químico Justus von Liebig de la fama del descubrimiento del elemento bromo. En 85, Liebig obtuvo Br y lo guardó en un frasco al que puso la etiqueta ICl. A ºC, el I Cl reacciona con el hidrógeno: ICl (g) + (g) I (g) + Cl (g) Sabiendo que esta reacción es de segundo orden (total): a) Escribe posibles expresiones para su ley de velocidad. b) Cómo se podría determinar cuál de las expresiones anteriores corresponde a la verdadera ley de velocidad? c) Razona si la reacción anterior puede ser elemental. a) Entre las posibles expresiones de la ley de velocidad, que corresponden a una reacción de segundo orden, podemos escribir: v k [ICl][ ] v k [ICl] v k [ ] b) Para decidir cuál es la expresión correcta de la ley de velocidad, se debe medir experimentalmente la velocidad de reacción para diferentes valores de las concentraciones de los reactivos. c) En una reacción elemental, los exponentes de la ley de velocidad coinciden con los coeficientes de la ecuación correspondiente a la etapa elemental; es decir, el orden de la reacción coincide con la molecularidad. Por tanto, si la reacción dada fuese elemental, la ley de velocidad debería ser: v k [ICl] [ ] Es decir, la reacción debería ser de tercer orden. Dado que se sabe que esta reacción es de segundo orden, la reacción no puede ser elemental. 7.5 La descomposición de la urea en Cl, mol L - ocurre de acuerdo con la reacción: + + N C N + N C La constante de velocidad para esta reacción de primer orden se midió en función de la temperatura: Experimento T (ºC) k (min - ) 6,5 7,5,7 5,77 5 Calcula la energía de activación y el factor de frecuencia, A, para esta reacción. De acuerdo con la ecuación de Arrhenius: k A e E a R T Tomando logaritmos neperianos, nos queda: Ea lnk ln A R T

Si utilizamos los subíndices y para referirnos a las dos temperaturas dadas, 6,5 ºC y 7,5 ºC, respectivamente, y dado que A, E a y R son constantes, obtenemos: Ea lnk ln A R T lnk Ea ln A R T Restando las dos ecuaciones anteriores, resulta: Ea Ea Ea Ea k lnk lnk ln A ln A ln R T R T R T R T k Ea R T Ea (T T ) T R T T Despejando E a y sustituyendo valores, se obtiene: E a R T T k ln (T T ) k 8, (JK mol ), (K), (K),77 ln, (K),7 5 5 (min ),7 (min ) 5 Jmol Es decir, la energía de activación es: E a 7 kj mol Despejando el factor de frecuencia, A, en la ecuación de Arrhenius, y sustituyendo los valores correspondientes al experimento, resulta: A k e Ea RT,7 (min ) e 7 (Jmol ) 8, (Jmol K ),(K) 5,5 min 8, s El mismo valor para A se obtiene utilizando los valores de k y T correspondientes al segundo experimento.

8 Equilibrio químico EJERCICIS PRPUESTS 8. Escribe la expresión de la constante de equilibrio, K c, para la reacción: C (g) + (g) C (g) + (g) K c [C] [ ] [C] [] eq 8. Para la reacción (g) + I (g) I (g), K c 5,5 (a 5 ºC). Si el cociente de reacción de una mezcla de, I y I, a 5 ºC, vale,, está dicha mezcla en equilibrio? Q c K c, por tanto, la reacción no se encuentra en equilibrio. 8. Para la reacción: (g) + I (g) I (g), K c vale 5,5 a 5 ºC. Calcula K c para la reacción: / (g) + / I (g) I (g) Para la reacción escrita como / (g) + / I (g) I (g), el valor de la constante de equilibrio, que denotaremos por K c, es: K ' c [I] [ I] / / / / [ ] [I ] Kc (5,5) 7, 8 [ ] [I ] eq / eq 8. A partir del dato del ejercicio resuelto, calcula K c, a 5 ºC, para la reacción: C (g) (g) + C (g) Para la reacción dada, el valor de K c es: K c [ ] [C] [C] Mientras que para la reacción inversa, (g) + C (g) C (g), el valor de la constante de equilibrio K c viene dado por la expresión: ' [C] Kc [ ] [C] Por tanto, el valor de K c para la reacción dada resulta: eq eq [ ] [C] Kc [C] eq [C] [ ] [C] eq ' c ( K ) ( mol L ), mol L 8.5 Para la reacción de disociación del oxígeno molecular: (g) (g) la constante K c vale -, a 5 ºC. Razona si el oxígeno de tu habitación se encuentra en forma atómica o molecular. El valor tan pequeño de la constante de equilibrio para la reacción (g) (g) significa que, en el equilibrio, esta reacción se encuentra muy desplazada hacia la izquierda, de manera que la concentración de oxígeno molecular ( ) es mucho mayor que la de oxígeno atómico (). Por tanto, la mayoría de los átomos del aire de la habitación se encuentran en forma de oxígeno molecular.

8.6 El valor de la constante de equilibrio para la reacción: Si (s) + (g) Si (s) es K c. Razona si la descomposición del Si en Si y es un buen método para obtener silicio elemental. Cuanto mayor sea el valor de la constante de equilibrio de una reacción, más desplazada se encuentra esta hacia la derecha. Por tanto, la reacción dada está muy desplazada hacia la derecha, es decir, hacia la formación de Si. La cantidad de Si en el equilibrio debe ser, pues, despreciable, de manera que la descomposición de Si en Si y no puede ser un buen método para obtener silicio elemental. 8.7 El PCl 5 (g) se disocia según el equilibrio: PCl 5 (g) PCl (g) + Cl (g) Qué efecto tendrá sobre el porcentaje de disociación del PCl 5 la adición de cloro molecular, Cl? De acuerdo con el principio de Le Châtelier, al añadir Cl, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda para compensar así, parcialmente, el aumento de Cl. Por tanto, el porcentaje de PCl 5 que se disocia en PCl y Cl disminuye. 8.8 El NBr se disocia según el equilibrio: NBr (g) N (g) + Br (g) Al aumentar la presión, aumentará o disminuirá el porcentaje de disociación de NBr? De acuerdo con el principio de Le Châtelier, al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, ya que así disminuye el número de moles gaseosos, lo que contrarresta, parcialmente, el aumento de presión. En consecuencia, el aumento de presión provocará una disminución del porcentaje de disociación del NBr en N y Br. 8.9 El cepillado de los dientes con un dentífrico que contiene fluoruro conduce a la conversión de algo de hidroxiapatito en fluoroapatito, que es menos soluble que aquel en los ácidos: Ca 5 (P ) (s) + F (aq) Ca 5 (P ) F (s) + (aq) Escribe la expresión de la constante de equilibrio. K c [ ] [F ] eq 8. Escribe las expresiones de K c y K p para el equilibrio heterogéneo correspondiente a la disociación del cloruro de fosfonio: Las expresiones de K c y K p son, respectivamente, P Cl (s) P (g) + Cl (g) [P ] [Cl] K [PCl] c y eq pp p Kp p Cl PCl eq

8. Explica por qué al elevar la presión en el proceso aber aumenta el rendimiento en amoníaco. Cuál es el efecto de la temperatura en este proceso? De acuerdo con el principio de Le Châtelier, al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia el lado que contenga menor número de moles gaseosos, para así contrarrestar, parcialmente, el aumento de presión. En consecuencia, el aumento de presión desplaza el equilibrio N (g) + (g) N (g) hacia la derecha, lo que favorece la formación de N. Por tanto, el aumento de presión aumenta el rendimiento de la síntesis de amoníaco a partir de sus elementos. La síntesis de amoníaco es exotérmica, por lo que trabajar a temperaturas bajas favorecería el rendimiento; sin embargo, a estas temperaturas, la velocidad de reacción es prácticamente nula. Existe una competencia entre los factores termodinámicos y los factores cinéticos. aber encontró un catalizador que permitía sintetizar amoníaco a una velocidad razonable sin tener que emplear temperaturas muy altas. 8. El aumento de presión es favorable, desde el punto de vista cinético, para la obtención de amoníaco. Explica esto mediante la teoría de colisiones. Al aumentar la presión de la mezcla reaccionante, las moléculas presentes se concentran en un volumen menor, aumentando así su concentración. Evidentemente, cuanto mayor sea el número de moléculas confinadas en un volumen dado, mayor será la frecuencia con que estas colisionen entre sí. Por ello, la velocidad de una reacción, generalmente, aumenta cuando elevamos la concentración de los reactivos. 8. Para la síntesis del amoníaco a partir de sus elementos: N (g) + (g) N (g) 9, kj la constante K P vale 6 5, a 5 ºC. Calcula el valor de K P a ºC. Aplicando la ecuación de van t off, se obtiene: K ln K Kp (7 K) ln 5 6 p, p, Δ R T, T 9 (J mol ) 8, (J mol K ) 98 7 Despejando K p (7 K), resulta: 7,8678 Kp (7 K) 6 e 7,6 5 Al igual que el valor de K p (98 K) 6 5, el resultado debe expresarse también con una sola cifra significativa, es decir, K p (7 K) 8. Para la reacción del gas de agua: C (s) + (g) C (g) + (g) el valor de la energía libre de Gibbs es G 9, kj. Determina el valor de K p a 5 ºC. Si se sustituyen los valores dados en la expresión que relaciona K p con G, se obtiene: ΔG RT 9 (Jmol ) 8, (JK mol )98 (K) Kp e e 9,9 7

EJERCICIS Y PRBLEMAS EXPRESINES DE K C Y K P 8.5 La conversión de oxígeno en ozono tiene una constante de equilibrio muy baja: / (g) (g) K c,5-9 a) Qué valor tendrá K c cuando la ecuación se escriba empleando coeficientes que sean números enteros? (g) (g) b) Qué valor tendrá K c para la conversión de ozono en oxígeno? (g) (g) a) El valor de K c dado corresponde a: [ ] Kc,5 / [ ] eq Para la reacción escrita en a), la constante de equilibrio es: [ ] [ ] eq [ ] [ ] eq 9 9 Kc a) K (,5 ) 6, / c b) Para la reacción escrita en b), la constante de equilibrio vale: [ ] [ ] eq [ ] [ ] eq 58 K c b) c 58 57 ( K a) ) (6, ),6 8.6 Se necesitan grandes cantidades de para la síntesis del amoníaco. Mediante los siguientes procesos se puede preparar hidrógeno comercialmente. Escribe la expresión de K c y K p para cada uno de ellos: a) C (g) + C (g) C (g) + (g) b) C (g) + (g) C (g) + (g) c) C (g) + (g) C (g) + (g) d) C (g) + (g) C (g) + (g) a) b) [C] [ ] K p c [C] [C] y Kp p eq [C] [ ] K p c [C] [] y Kp p eq C C C p p C Cp p eq eq c) K [C] [ ] c [C] [] eq y K p p p C C p p eq d) K [C ] [ ] c [C] [ ] eq y K p p p C C p p eq 5

8.7 En un futuro con escasez de petróleo, el monóxido de carbono, C, puede convertirse en una materia prima esencial para la obtención de compuestos orgánicos y combustibles. Así, por ejemplo, el metanol, una sustancia de gran importancia industrial, se obtiene a partir del C según la reacción: C (g) + (g) C (g) Para este equilibrio, K c es igual a,5 a 7 ºC. Calcula el valor de K p a dicha temperatura. Las constantes K p y K c están relacionadas por la expresión: K Δn g p Kc (RT) Para esta reacción, Δn g ( + ), por tanto, a la temperatura dada, igual a 7 + 7 5 K, resulta: K p K c (RT),5 (mol L ),8 (atm L K mol - ) 5 (K)) 6, atm 8.8 En uno de sus primeros relatos, I. Asimov presenta a un robot, en el planeta Mercurio, amenazado por la presencia de grandes cantidades de monóxido de carbono, C. En efecto, a la temperatura de la superficie soleada de Mercurio (>6 K), el hierro reacciona con el C a presiones elevadas para formar pentacarbonilo de hierro: Fe (s) + 5 C (g) Fe(C) 5 (g) Escribe las expresiones de K c y K p para esta reacción. K [Fe(C) ] y 5 c 5 [C] eq p Fe(C) 5 Kp 5 pc eq 8.9 El mineral hidroxiapatito, Ca 5 (P ), principal constituyente de los dientes, puede disolverse en las disoluciones ácidas producidas por las bacterias de la boca. Escribe la expresión de K c para la reacción que tiene lugar: Ca 5 (P ) (s) + + (aq) 5 Ca + (aq) + P (aq) + 5 (l) K c [Ca + 5 ] [ [P + ] ] eq 8. El balance entre S y S es importante para entender la formación de la lluvia ácida en la troposfera. A partir de la siguiente información a 5 ºC: S (s) + (g) S (g) K, 5 S (s) + (g) S (g) K 9,8 8 Calcula la constante de equilibrio para la reacción: S (s) + (g) S (g) La constante de equilibrio para la reacción que se pide viene dada por la expresión: K c [ S ] [ ] S [] que puede relacionarse con las constantes de equilibrio de las reacciones dadas: eq según: [ S ] [ ] eq Kc () y Kc () [ S ] [ ] eq [ S] [ S ] [ ] 8 [S] [] 9,8 c Kc() 5,6 5 [] [S] eq (Kc()) (, ) eq eq K 6

8. En la fiesta de fin de curso, una estudiante de Filosofía colocó algunos cubitos de hielo en un vaso con agua. Minutos después, observó, sorprendida, que algunos se habían fusionado entre sí. Qué explicación de lo sucedido le dio una compañera que, afortunadamente, cursaba la asignatura de Química? Existe un equilibrio dinámico entre el hielo y el agua líquida: constantemente hay moléculas de agua sólida (hielo) que se funden y moléculas de agua líquida que se solidifican: (s) (l) La congelación del agua situada entre los cubitos de hielo explica que estos se peguen. CMPSICIÓN EN EL EQUILIBRI DE SISTEMAS MGÉNES 8. Antes de que se conociera su toxicidad, el tetracloruro de carbono, CCl, se usaba como extintor de fuego. Puede obtenerse mediante la siguiente reacción: CS (g) + Cl (g) S Cl (g) + CCl (g) Supón que se colocan, moles de CS y 7, moles de Cl en un matraz de, L. Después de que se alcanza el equilibrio, a una temperatura dada, la mezcla contiene,8 moles de CCl. Calcula la constante de equilibrio, K c, a dicha temperatura. Inicialmente, no había nada de S Cl ni de CCl. Por tanto, los,8 moles de CCl (y los,8 de S Cl ) se han producido en la reacción entre el CS y el cloro. De acuerdo con la estequiometría de la reacción, deben haber reaccionado,8 moles de CS con x,8 moles de Cl. CS (g) + Cl S Cl (g) + CCl (g) Moles iniciales, 7, Cambio en el n.º de moles,8 5, +,8 +,8 Moles en el equilibrio,6,8,8,8 Las concentraciones en el equilibrio son, pues,,8 (mol) (L) [ S Cl ] [ CCl ],9 mol ; [ CS ], mol ; [ Cl ],9 mol L,6 (mol) (L) L Sustituyendo estas concentraciones en la expresión de K c, obtenemos: K [ SCl ][ CCl ] [ CS ][ Cl ] (,9) c (,) (,9) eq,7,8 (mol) (L) L 8. Una reacción importante en la formación del esmog contaminante de la atmósfera es: (g) + N (g) (g) + N (g) Si las concentraciones iniciales son: [ ], 6 mol L -, [N], 5 mol L -, [ ] 8, mol L -, [N ],5 mol L -, y el valor de la constante de equilibrio es K c 6,, a) Se encuentra el sistema en equilibrio? b) En caso contrario, en qué sentido procederá la reacción? a) El valor del cociente de reacción para la mezcla dada vale: [ ][ N ] [ ][ N] (8, ) (,5 ) Q c, 6 5 eq (, ) (, ) 5 Dado que el cociente de reacción no es igual al valor de la constante de equilibrio a la temperatura dada (Q c K c ), el sistema no se encuentra en equilibrio químico. b) La reacción procederá hacia la derecha, lo que entraña un aumento del cociente de reacción (Q c ) hasta que este alcance un valor igual al de la constante de equilibrio (K c ). 7

8. Cuando la glucosa (azúcar de maíz) y la fructosa (azúcar de la fruta) se disuelven en agua, se establece el equilibrio: fructosa glucosa Una química preparó una disolución, mol L - de fructosa a 5 ºC y descubrió que en el equilibrio la concentración había disminuido a, mol L -. a) Determina la constante de equilibrio de la reacción. b) Qué porcentaje de fructosa se transformó en glucosa en el equilibrio? a) La cantidad de fructosa, en moles por litro, que se ha transformado en glucosa es:, (mol L - ), (mol L - ), mol L - De acuerdo con la estequiometría de la reacción, las concentraciones en el equilibrio son: fructosa (aq) glucosa (aq) Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]), +, Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),, Al sustituir los valores en la expresión de la constante de equilibrio, se obtiene: K [ glucosa] [ fructosa],, c eq,6, b) % fructosa transformada 5,7%, 8.5 Cuando se adiciona ion tiocianato, SCN, a una disolución acuosa que contenga el catión hierro (III), Fe +, aparece un color rojo intenso debido al ion FeSCN + (aq): Fe + (aq) + SCN (aq) FeSCN + (aq) Esta es una reacción útil para identificar el ion Fe +. Calcula el valor de la constante K c si las concentraciones en el equilibrio, a temperatura ambiente, son: [Fe + ] 9,8 mol L -, [SCN ],8 mol L - y [FeSCN + ],5 5 mol L -. Puesto que las concentraciones dadas corresponden a los valores de equilibrio, si sustituimos en la expresión de K c, resulta: + [ FeSCN ] + [ Fe ][ SCN ] 5,5 K c, (9,8 ) (,8 ) eq Los valores dados de las concentraciones limitan el resultado a dos cifras significativas. 8.6 Para regenerar el oxígeno, en la estación rusa Salyut, se utilizó superóxido (dióxido de potasio, K ), que reacciona con el C espirado por los astronautas: K (s) + C (g) K C (s) + (g) K p 8,5 (a 5 ºC) Supón que se añade una muestra de C a un matraz que contiene K, y al que se ha hecho previamente el vacío. Si, una vez alcanzado el equilibrio, la presión parcial de C es,7 atm, cuál será la presión parcial de y la presión total del sistema? Llamemos x a la presión parcial de en la mezcla en equilibrio. Si sustituimos en la expresión de K p y despejamos, obtenemos: p x K p 8,5 x,59 atm pc (,7) eq ptot p + p,55 atm +,7 atm,6 atm C 8

8.7 El fosgeno, CCl, es un poderoso agente de guerra química prohibido por acuerdos internacionales. Se descompone por la reacción: CCl (g) C (g) + Cl (g) K c 8, (a 6 ºC) Calcula las concentraciones de C, Cl y CCl cuando se descompongan 5, moles de CCl y se alcance el equilibrio en un matraz de, L. 5, (mol) (L) - La concentración inicial de CCl es: [ CCl ],5 mol L De acuerdo con la estequiometría de la reacción, y siendo x los moles por litro de CCl que se descomponen, las concentraciones en el equilibrio son: CCl (g) C (g) + Cl (g) Concentración inicial,5 Cambio en la concentración x +x +x Concentración en el equilibrio,5 x x x [ ] [ ] C Cl (x) Si sustituimos los valores en la expresión de K c, obtenemos Kc 8, [ CCl ] eq (,5 x) Si despreciamos el valor de x frente a,5, la ecuación anterior se reduce a una de segundo grado, cuya resolución es elemental, obteniéndose: x,. Por tanto, [C] eq [Cl ] eq, mol L - y [CCl ] eq,5 (mol L - ), (mol L - ),8 mol L - 8.8 El monoyoduro de bromo, IBr, es un sólido que se utiliza en algunos procesos industriales, en lugar del bromo, para determinar el grado de instauración de las grasas. Se obtiene a partir de sus elementos: I (g) + Br (g) IBr (g) Si en un recipiente de 5, L se encierran,5 moles de yodo y,5 moles de bromo, cuál es la concentración de cada especie cuando se alcanza el equilibrio a 5 ºC? Dato. K c, a 5 ºC. Las concentraciones iniciales son:,5 (mol) ; [IBr ] 5, (L) - [ I ] [Br ], mol L Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, si llamamos x a los moles por litro de yodo que reaccionan, las concentraciones en el equilibrio resultan: I (g) + Br (g) IBr (g) Concentración inicial ([ ] ),, Cambio en la concentración (Δ[ ]) x x + x Concentración en el equilibrio ([ ] eq), x, x x Al sustituir los valores en la expresión de la constante de equilibrio, se obtiene: [ IBr] [ I ] [ Br ] (x) x K c,, (, x), x Al resolver esta ecuación, de primer grado, resulta: x,5. Por tanto, las concentraciones en el equilibrio son: [I ] [Br ],7 5 mol L - ; [IBr ] 5, mol L - 9

8.9 En la actualidad, se está estudiando la utilización de trióxido de azufre, S, para almacenar energía solar. El S, situado en una cámara cerrada, se disocia a alta temperatura cuando incide sobre él la energía solar, de acuerdo con el siguiente equilibrio: S (g) S (g) + (g) A una cierta temperatura, el S se encuentra disociado en un 5% y la presión total que se alcanza dentro de la cámara es de,8 atm. Calcula el valor de K p para dicha reacción. Si denotamos como n o los moles iniciales de S, en el equilibrio se habrán disociado: n o mol S (5/),5 n mol S Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: S (g) S (g) + (g) Moles iniciales n Cambio en el número de moles,5 n +,5 n +,6 n Moles en el equilibrio,8 n,5 n,6 n El número de moles gaseosos totales, en el equilibrio, resulta: n totales,8 n +,5 n +,6 n,6 n Las presiones parciales de los gases en el equilibrio son: ns,8 n ps ptotal,8 atm,7 atm ntotales,6 n ns,5 n ps ptotal,8 atm,6 atm ntotales,6 n n,6 n p ptotal,8 atm,58 atm ntotales,6 n Si aplicamos los valores anteriores en la expresión de K p, obtenemos: p p S (,6) (atm),58 (atm) Kp,68 atm p S (, 7) (atm) eq 8. El cloruro de nitrosilo, NCl, es un gas rojo-anaranjado tóxico que se forma en la descomposición del agua regia. Una muestra de NCl se calienta a ºC en un recipiente de, L. La presión total en el equilibrio es de, atm y la presión de NCl es de,6 atm. NCl (g) N (g) + Cl (g) a) Calcula las presiones parciales de N y Cl en el equilibrio. b) Calcula la constante de equilibrio, K p. a) Dado que la presión parcial de un gas es proporcional a su número de moles, los cambios en el número de moles de los gases de la mezcla se traducen en cambios proporcionales de sus correspondientes presiones parciales. Por tanto, si llamamos (p NCl ) o a la presión inicial de NCl y x a lo que ha disminuido la presión parcial de NCI desde la situación inicial hasta el establecimiento del equilibrio, tenemos: NCI (g) N (g) + Cl (g) Presión inicial (p o, atm) (p NCl ) o Cambio en la presión (Δp, atm) x +x +,5x Presión en el equilibrio (p eq, atm) (p NCl ) o x,6 x,5x De acuerdo con los datos del enunciado, (p NCl ) eq (p NCl ) x,6 atm p total (p NCl ) x + x +,5x, atm (p NCl ) + x/, atm Restando la primera de las ecuaciones anteriores a la segunda, se obtiene:,5x,6 atm x, atm. Las presiones parciales en el equilibrio resultan: (p NCl ) eq,6 atm; (p N ) eq, atm; y ( p ) eq, atm Cl b) Si aplicamos los valores anteriores en la expresión de K p, obtenemos: p p N Cl (,) (atm), (atm) K p,7 atm pcln (, 6) (atm) eq

8. Se introduce N puro en un matraz, previamente evacuado, y se calienta a ºC. El N se disocia dando N (que es el responsable de la boina roja sobre las ciudades muy contaminadas): N (g) N (g) En el equilibrio, a la presión total de, atm, la densidad es, g L. Calcula: a) El grado de disociación. b) La presión parcial del N. c) El valor de K p a ºC. a) Llamando n a los moles iniciales de N y denotando por α al grado de disociación, tenemos: N (g) N (g) Moles iniciales n Cambio en el n.º de moles -n α +n α Moles en el equilibrio n n α n ( α) n α En el equilibrio, el número de moles gaseosos totales resulta: n totales n ( α) + n α n ( + α) La masa total del sistema (m) permanece constante y es igual a la masa de los n moles iniciales de N : m m n 9 g mol De acuerdo con la ecuación de los gases, la presión total del sistema en el equilibrio (p T ) viene dada por: p T n RT (nn + n ) RT tot N n ( + α) RT V V V A partir del valor de la densidad de la mezcla en equilibrio (d) el cociente (V/n ) resulta: m d V Despejando α, se obtiene: n 9 (g mol V ) V n 9 (g mol d ) 9 (g mol,(g L ) ) pt V (atm) 9 (g mol ) ( + α),76 α,76 - RT n,8 (atm L K mol ) 7 (K),(g L ) b) En el equilibrio, la presión parcial de N es: p N n n N totales p T n( α) n ( + α) p T ( α) p ( + α) T,76 (atm) +,76,7 atm c) En el equilibrio, la presión parcial de N es: p p p (atm),7 (atm),7 atm, alternativamente, N T N p N n n N totales p T n α p n ( + α) T α p ( + α) T,76 +,76 (atm),7 atm Sustituyendo en la expresión de K p, tenemos: K De manera alternativa, K p p p N N eq α p T ( α) + ( α) p T ( α) + p p p α α N N Los resultados deben redondearse a cifras significativas. p T eq,7 (atm),7 (atm) (,76) (atm) (,76) (atm) atm (atm) atm

EQUILIBRIS EN SISTEMAS ETERGÉNES 8. El hidrogenocarbonato de sodio (bicarbonato de sodio) se descompone a altas temperaturas, y es una de las fuentes de C cuando este compuesto se utiliza en la cocción de alimentos en hornos. NaC (g) Na C (s) + (g) + C (g) Calcula la presión parcial de C cuando se alcanza el equilibrio anterior, en un recipiente cerrado a ºC, partiendo de NaC puro, sabiendo que, a ºC, K p,. Todo el y C gaseosos presentes en el equilibrio proceden de la descomposición del NaC sólido. De acuerdo con la estequiometría de esta descomposición, se forma el mismo número de moles de (g) que de C (g). Por tanto, la presión parcial de vapor de debe ser igual a la de C. Llamando x a dicha presión, en atmósferas una vez alcanzado el equilibrio, y sustituyendo en la expresión de K p, tenemos: K p p p C x x x, x,,8 atm 8. El carbamato de amonio (N CN ) se encuentra en la sangre y en la orina de los mamíferos. A 5 ºC, K c,58 8 para el siguiente equilibrio: N CN (s) N (g) + C (g) Si se introducen 7,8 g de N CN en un recipiente vacío de,5 L, cuál es la presión total dentro del recipiente en el equilibrio? Dado que la presión parcial de un gas es proporcional a su número de moles, los cambios en el número de moles de los gases de la mezcla se traducen en cambios proporcionales de sus correspondientes presiones parciales. Por tanto, si designamos x al cambio en la presión parcial del C cuando se alcance el equilibrio, tenemos: N CN (s) N (g) + C (g) Presión parcial inicial Cambio en la presión parcial +x +x Presión parcial en el equilibrio x x Las constantes K p y K c están relacionadas por la expresión: K Δn g p Kc (RT). Para esta reacción, Δn g ( + ) Por tanto, a la temperatura dada, igual a 5 + 7 5 K, resulta: K p K c (RT),58 8 (mol L ),8 (atm L K mol - 5 K),5 atm Si sustituimos los valores de las presiones parciales en el equilibrio en la expresión de K p, obtenemos: K Kp,5 {(p ) p } ( x) x x x,679 atm p N C eq La presión total en el equilibrio es: / pt p + p x + x x, atm N C /

8. La descomposición térmica de CaC para obtener cal (Ca) es uno de los procesos químicos más antiguos llevados a cabo por el hombre (el templo de Apolo en Grecia, la Gran Muralla China y la vía Apia romana se construyeron con mortero de cal). CaC (s) Ca (s) + C (g) Calcula cuántos gramos de C se forman, en el equilibrio, cuando se calienta CaC en un recipiente cerrado de, L, a una temperatura a la cual K c es igual a,. La concentración de C cuando la descomposición del carbonato de calcio alcance el equilibrio debe verificar: K c [C ] eq, mol L siempre que quede CaC coexistiendo con Ca y C formados. Los gramos de C presentes en el equilibrio, a la temperatura para la cual K c es el valor dado, son: m, (moll ) (gmol ) (L) 8,8 g 8.5 La presión de vapor de g es, mmg a 6 ºC. a) Determina K c y K p para el proceso: g (l) g (g). b) Un químico rompe un termómetro y derrama el mercurio en el piso de un laboratorio de dimensiones 6, m x 5, m x,9 m. Calcula la masa de g que se evapora en el equilibrio, así como la concentración de vapor de mercurio en mg m -. Excede esta concentración el límite de seguridad, cuyo valor es,5 mg m -? a) La presión de g (g) en el equilibrio es la presión de vapor del mercurio a la temperatura dada. Al sustituir este valor, expresado en atmósferas, en la expresión de K p, obtenemos: K p (atm) 6 { p }, (mmg), 6 atm g (v) eq 76 (mmg) Las constantes K p y K c están relacionadas por la expresión: K Δn g Por tanto, a la temperatura dada, igual a 6 + 7 99 K, resulta: Δn g p Kc (RT) Para este proceso, K p K c (RT) K c K p (RT),6 6 (atm),8 (atm L K mol - 99 K), 7 mol L b) En el equilibrio, se habrá evaporado una cantidad de mercurio que proporcione una presión de,6-6 atm de vapor de mercurio o, lo que es lo mismo, una concentración de, 7 mol g L. El volumen del laboratorio es: V 6, (m) 5, (m),9 (m) 98, m La masa de mercurio que proporciona una concentración de, 7 mol g L en dicho volumen es: m, 7 (mol g) (L) (L) (m ),59 (g g) (mol g) 98,(m ), g g La concentración de vapor de mercurio, expresada en mg g m, resulta:, 7 (mol g) (L) (L) (m ),59 (g g) (mg) (mol g) (g) mg g m que sí excede el límite de seguridad, fijado en,5 mg g m.

8.6 La hemoglobina (b) puede formar un compuesto con el y con el C. Para la reacción: b (aq) + C (g) bc (aq) + (g) a la temperatura del cuerpo, K es aproximadamente,. Cuando la relación [bc] / [b ] tiende a, la muerte es probable. Qué presión parcial de C en el aire probablemente sea mortal? Supón que la presión parcial de es, atm. La expresión de la constante de equilibrio (K) para este equilibrio heterogéneo es: [ bc] p [ ] K b pc Al despejar en la ecuación anterior (en el equilibrio), la presión parcial de C puede expresarse en función de la presión parcial de y de las concentraciones de b (oxihemoglobina) y bc (carboxihemoglobina) como: ( p C ) eq [ bc] [ b ] Si sustituimos los valores en la ecuación anterior, la presión parcial de C en una mezcla en equilibrio, para la cual la presión parcial de es, atm (el valor en el aire a la presión atmosférica normal) y la relación [bc] / [b ] vale, resulta:, (atm) ( pc ) eq, atm, p eq K eq 8.7 La naftalina, C 8, un sólido blanco que se utiliza para hacer bolas antipolillas, tiene una presión de vapor de, mmg a 7 ºC. Calcula los valores de Kp y K c, a dicha temperatura, para el equilibrio: C 8 (s) C 8 (g) La presión del C 8 (g) en el equilibrio es la presión de vapor de C 8 a la temperatura dada:, mmg. Al sustituir este valor, expresado en atmósferas, en la expresión de K p, obtenemos: (atm) Kp { pc (v)}, (mmg), atm 8 eq 76 (mmg) Las constantes K p y K c están relacionadas por la expresión: K Δn g p Kc (RT) Para este proceso, Δn g Por tanto, a la temperatura dada, igual a 7 + 7 K, resulta: K p K c (RT) K c K p (RT), (atm) (,8 (atm L K mol - ) (K)) 5, 6 mol L 8.8 Las bombas fétidas comunes, contienen hidrógeno sulfuro de amonio, N S, en el interior de una ampolla de vidrio. Cuando esta se rompe, el N S se descompone en amoníaco y sulfuro de hidrógeno, dos gases con fuerte olor desagradable. La ecuación es: N S (s) N (g) + S (g) a) Cuando se coloca una muestra de N S puro en un recipiente evacuado y se deja que llegue el equilibrio a 5 ºC, la presión total es,66 atm. Cuál es el valor de K p? b) En un experimento diferente, se introducen,75 atm de N y,5 atm de S en un recipiente de, L a 5 ºC. Calcula cuántos moles de N S habrá cuando se alcance el equilibrio. a) Dado que la presión parcial de un gas es proporcional a su número de moles, los cambios en el número de moles de los gases de la mezcla se traducen en cambios proporcionales de sus correspondientes presiones parciales. Por tanto, si designamos x al cambio en la presión parcial del N cuando se alcance el equilibrio, tenemos: N S (s) N (g) + S (g) Presión parcial inicial (atm) Cambio en la presión parcial (atm) +x +x Presión parcial en el equilibrio (atm) x x La presión total (p T ) es igual a la suma de las presiones parciales de los gases presentes en la mezcla. Por tanto, (p T ) eq x + x,66 atm x, atm Si sustituimos los valores en la expresión de K p, resulta: K p pn p S} x x ( atm),9 atm eq

b) Si designamos z al cambio en la presión parcial del N desde el valor inicial hasta el que se obtenga cuando se alcance el equilibrio, tenemos: N S (s) N (g) + S (g) Presión parcial inicial (atm),75,5 Cambio en la presión parcial (atm) z z Presión parcial en el equilibrio (atm),75 z,5 z Si sustituimos los valores en la expresión de K p, resulta: K p { pn p S} (,75 z) (,5 z),9 atm eq Al resolver esta ecuación de segundo grado en z, encontramos que z,7 atm. Utilizando la ecuación de los gases, el número de moles que ejerce esta presión en las condiciones dadas es: n pv RT,7 (atm), (L),8(atm L K mol ) 98 (K),mol Es decir, han reaccionado, moles de N con, moles de S, formándose, de acuerdo con la estequiometría de la reacción,, moles de N S (s). PRINCIPI DE LE CÂTELIER 8.9 La fotosíntesis se puede representar por la reacción: 6 C (g) + 6 (l) C 6 6 (s) + 6 (g) 8 kj Explica cómo alterarían el equilibrio los siguientes cambios. a) Se aumenta la presión parcial de C. b) Se elimina de la mezcla. c) Se elimina C 6 6 (glucosa) de la mezcla. d) Se agrega más agua. De acuerdo con el principio de Le Châtelier, los cambios alterarían el equilibrio como sigue. a) Al aumentar la presión parcial de C, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, con lo que se consume parte del C introducido. b) Si se elimina, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y se produce, lo que compensa, parcialmente, la disminución en la concentración de que ocasionó la retirada inicial del mismo. c) Dado que es un sólido, la concentración de C 6 6 permanece constante, independiente de la cantidad presente (siempre que no se agote totalmente). Por tanto, la retirada de parte de C 6 6 no altera la posición del equilibrio. d) La concentración de un líquido puro, como en el caso de un sólido, es independiente de la cantidad presente. Por tanto, la adición de más agua no desplaza el equilibrio en ningún sentido. 5

8. En un estudio de grabado de vidrio, un químico examina la reacción entre la arena (Si ) y el F a una temperatura superior al punto de ebullición del agua: Si (s) + F (g) SiF (g) + (g) Predice el efecto sobre la concentración de SiF cuando: a) Se elimina (g). b) Se elimina algo de arena. c) Se adiciona F. d) Se aumenta el volumen del recipiente. De acuerdo con el principio de Le Châtelier, los cambios propuestos afectan a la concentración de SiF como se explica a continuación. a) Si se elimina (g), el equilibrio se desplaza hacia la derecha, en el sentido en que se produce de forma que compense, parcialmente, la disminución en la concentración de ocasionada por su retirada inicial. En consecuencia, también se formará SiF, por lo que su concentración aumentará. b) La arena (Si ) es un sólido, de modo que su concentración permanece constante aunque disminuya su cantidad. Por tanto, la eliminación de algo de arena no altera la posición del equilibrio. c) Al añadir F, el equilibrio se desplaza hacia la derecha para de este modo compensar, parcialmente, el aumento de F. Por tanto, aumenta la concentración de SiF. d) Al aumentar el volumen del recipiente, la presión disminuye. Para contrarrestar parcialmente esta reducción, el equilibrio se desplaza hacia el lado que tenga mayor número de moles gaseosos, es decir, hacia la izquierda. Por tanto, disminuye a concentración de SiF. 8. El proceso hierro-vapor se utiliza para generar, principalmente, para hidrogenar aceites: Fe (s) + (g) Fe (s) + (g) 5 kj Razona cuál es el efecto de los siguientes factores en la cantidad de presente en el equilibrio: a) Introducir más (g). b) Elevar la temperatura. De acuerdo con el principio de Le Châtelier, la cantidad de se ve afectada por los cambios propuestos como se explica a continuación. a) Al añadir, el equilibrio se desplaza hacia la derecha para de este modo compensar, parcialmente, el aumento de la concentración de agua provocado al introducir más. Por tanto, la cantidad de en el nuevo equilibrio será mayor que la que había en el equilibrio inicial. b) Al elevar la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, ya que en este sentido la reacción es endotérmica ( > ) y se absorbe calor, lo que contrarresta, parcialmente, la elevación de temperatura. Es decir, la elevación de temperatura disminuye la cantidad de presente en el equilibrio. 8. Una reacción importante en el cuerpo es la conversión de dióxido de carbono gaseoso en ion hidrógeno carbonato, en el torrente sanguíneo: C (g) + (l) C (aq) + + (aq) En situaciones de histeria o estrés, se puede producir hiperventilación, que elimina C de la sangre. a) Explica cómo afecta la hiperventilación a la concentración de ion C en la sangre. b) Qué remedio sencillo puede ser útil a una persona que está hiperventilando? a) Al aumentar el ritmo de eliminación de C, la hiperventilación hace que disminuya la concentración del mismo en la sangre. En consecuencia y de acuerdo con el principio de Le Châtelier, el equilibrio dado se desplaza hacia la izquierda (para producir C que compense parte de la cantidad eliminada). Por tanto, disminuye la concentración de ion hidrógeno carbonato, C (aq). b) Se le puede recomendar que utilice una bolsa para respirar el aire exhalado, rico en C, aumentando así la concentración de C en la sangre. Esto se traduce en un desplazamiento del equilibrio ahora hacia la derecha que restablece la cantidad de ion C (aq) a niveles similares a los iniciales. 6

PRBLEMAS DE SÍNTESIS 8. Una de las más importantes fuentes industriales de etanol, C 5, es la reacción exotérmica del vapor de agua con eteno, C, derivado del crudo de petróleo: C (g) + (g) C 5 (g) 7,8 kj Para esta reacción, K p 9 a 6 K. a) En el equilibrio, la presión parcial de C 5 es atm y la de vapor de agua, atm. Calcula la presión parcial de eteno. b) El mayor rendimiento de etanol se obtiene a: altas o bajas presiones?, altas o bajas temperaturas? c) En la manufactura de amoníaco, el rendimiento de N se incrementa al condensarlo y extraer el líquido del recipiente. La condensación del etanol funcionaría en este proceso? Dato. Temperatura de ebullición del etanol 8 ºC a) Si sustituimos en la expresión de K p y despejamos la presión parcial de eteno, obtenemos: K p p p C5 C p eq p C K p p p C5 eq Al aplicar los valores dados, resulta: p C K p pc p 5 eq 9, (atm (atm) ), 6 (atm) 5 atm b) De acuerdo con el principio de Le Châtelier, al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, ya que así disminuye el número de moles gaseosos, lo que contrarresta, parcialmente, el aumento de presión, que, supone un incremento del rendimiento de la formación de C 5 (g). Al disminuir la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, ya que en este sentido la reacción es exotérmica ( < ) y se desprende calor, lo que contrarresta, parcialmente, la disminución de temperatura. Es decir, el rendimiento de la formación de C 5 (g) se favorece con las temperaturas bajas. c) En este proceso no funcionaría la condensación del etanol, ya que el agua condensa a una temperatura mayor que a la que lo hace aquel. 8. El monóxido de carbono (C) y el óxido nítrico (N) son gases contaminantes que se encuentran en las emisiones de los automóviles. En condiciones adecuadas, se puede hacer reaccionar a estos dos gases para producir N y C, que no son tóxicos: C (g) + N (g) C (g) + N (g) 76,8 kj En condiciones atmosféricas normales, las presiones parciales son: p C 5, 5 atm y p N 5, 7 atm. p N,8 atm, a) Predice la dirección en la cual se producirá la reacción. b) Razona si el aumento de la temperatura favorecerá la formación de N y C. c) Calcula la energía libre estándar de la reacción, G a 5 ºC. Dato. K p a 5 ºC a) El valor del cociente de reacción en términos de la presión (Q p ) para la mezcla dada es: [ p ] [ p ] C N (, ) (,8) Qp, 7 5 [ pc] [ pn] (5, ) (5, ) eq p C, atm, Dado que el cociente de reacción no es igual al valor de la constante de equilibrio reacción a la temperatura dada (Q p K p ), el sistema no se encuentra en equilibrio químico. Como Q p < K p, la reacción procederá hacia la derecha, lo que entraña un aumento del cociente de reacción (Q p ) hasta que este alcance un valor igual al de la constante de equilibrio (K p ). 7

b) Al elevar la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, ya que en este sentido la reacción es endotérmica ( > ) y se absorbe calor, lo que contrarresta, parcialmente, la elevación de temperatura. Es decir, la elevación de temperatura no favorece la formación de C y N. c) La constante de equilibrio (K p ) de una reacción está relacionada con el valor de la variación de energía libre de Gibbs estándar de dicha reacción ( G ) por medio de la expresión: Al sustituir los valores dados, resulta: G RT ln K P G (98 K) 8, (J K mol ) 98 (K) ln ( ) 6,87 5 J mol 687 kj mol 8.5 El monocloruro de bromo, BrCl, un gas covalente con propiedades similares a las del Cl, podría sustituir al cloro como desinfectante para el agua. Un mol de cloro y un mol de bromo se colocan en un matraz de 5, L y se permite que alcancen el equilibrio a determinada temperatura: Cl (g) + Br (g) BrCl (g) Si la constante K c, a la temperatura del equilibrio, vale,7, a) Qué porcentaje de cloro ha reaccionado en el equilibrio? b) Qué masa de cada especie se encuentra presente en el equilibrio? c) Cómo desplazará la posición de equilibrio una disminución del volumen del recipiente de reacción? a) Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, si denotamos x los moles de cloro que reaccionan, los moles en el equilibrio resultan: Cl (g) + Br (g) BrCl (g) Moles iniciales Cambio en el n.º de moles x x +x Moles en el equilibrio x x x Si sustituimos los valores en la expresión de K c, obtenemos: x [ BrCl] V (x) x Kc,7,7 [ Cl][ Br ] x x ( x) x V V Al resolver esta ecuación, de primer grado, se obtiene: x,98. Por tanto, los moles en el equilibrio son: mol de Cl mol de Br,9 mol de BrCl,96 El porcentaje de cloro que ha reaccionado, una vez alcanzado el equilibrio, es: mol reaccionan,98 (mol) mol iniciales (mol) 9,8% b) Si utilizamos la masa molar de cada sustancia como factor de conversión de mol a gramos, las masas de las especies presentes en el equilibrio resultan: 7,9 (g) 59,8 (g) Cl :,9 (mol) 6,9 g Br :,9 (mol) g (mol) (mol) 5,5 (g) BrCl :,96 (mol),6 g (mol) c) Al disminuir el volumen del recipiente, la presión aumenta. Para contrarrestar parcialmente este aumento de presión, el equilibrio se desplaza hacia el lado que contenga menor número de moles gaseosos. Como en este caso hay tanto moles gaseosos en el lado de los productos como en el de los reactivos, un cambio del volumen del recipiente no afecta a la posición de equilibrio. Si la mezcla estaba en equilibrio, seguirá estándolo a pesar de haber disminuido el volumen (si la temperatura permanece constante), por lo que la reacción no se desplaza en ningún sentido. 8

8.6 El monóxido de carbono es el contaminante que se encuentra en mayor cantidad en el aire de la troposfera. La constante de equilibrio, K p, de la reacción: C (g) + (g) C (g) es, 9 a 5 ºC. Dada la magnitud de esta constante, por qué no se convierte todo el monóxido de carbono en C? La reacción dada tiene una energía de activación (E a ) muy alta y, por ello, la velocidad a la que trascurre dicha reacción es muy lenta. Por tanto, no se llega a alcanzar el equilibrio químico. 8.7 Para la síntesis del amoníaco, a partir de nitrógeno e hidrógeno: N (g) + (g) N (g) a 98 K, G, kj y 9, kj. Calcula el valor de la constante de equilibrio, K p, a 8 K. Sustituyendo los valores dados en la expresión que relaciona K P con G, para la temperatura de 98 K obtenemos: Al aplicar la ecuación de van t off resulta: ΔG (98 K) RT (Jmol ) 8, (JK mol ) 98 (K) Kp (98 K) e e 6,9 K ln K Kp (8 K) ln 5 6,9 Al despejar K p (8 K) en la ecuación, obtenemos: p, p, Δ R T, T 9 (J mol ) 8, (J mol K ) 5,5 98 Kp (8 K) 6,9 e, 5 8 5 9

9 Reacciones de transferencia de protones 9. El ion hidrogenocarbonato, a) Cuál es su ácido conjugado? b) Qué especie es su base conjugada? EJERCICIS PRPUESTS C, puede actuar como ácido y como base de BrønstedLowry. a) Su ácido conjugado, que se obtiene sumando un ion +, es el ácido carbónico: C b) Su base conjugada, que se obtiene restando un ion +, es el ion carbonato: C 9. De las especies que intervienen en el siguiente equilibrio, indica cuáles actúan como ácido y cuáles como base de BrønstedLowry: Cl (aq) + (l) Cl (aq) + + (aq) Actúan como ácidos, ya que ceden un ion +, el Cl y el +. Actúan como bases, ya que aceptan un ion +, el y el Cl. 9. Razona si el ácido cloroso, Cl (K a, ), es un ácido más fuerte o más débil que el ácido nitroso, N (K a,6 ). Cuál estará más disociado en disolución acuosa? Un ácido es tanto más fuerte cuanto mayor sea su constante de acidez. Por tanto, el ácido cloroso es más fuerte que el ácido nitroso. Por otra parte, cuanto mayor sea la constante de acidez de un ácido A, más desplazado se encuentra hacia la derecha el equilibrio de disociación: A + A + + Por tanto, a concentraciones iguales, el ácido cloroso está más disociado en disolución acuosa que el ácido nitroso. 9. La metilamina, C N, es una base débil. Escribe su equilibrio de disociación acuosa y la expresión de su constante de basicidad, K b. Al ser una base débil, la metilamina se disocia, parcialmente, al aceptar un protón del agua: C N (aq) + (l) La expresión de su constante de basicidad (K b ) es: K b C + N (aq) + (aq) + [CN ] [ ] [CN ] eq 9.5 Calcula el p de una disolución, mol L de I, que es un ácido fuerte. Un ácido fuerte, A, se disocia totalmente: A + A + + Concentraciones iniciales, Concentración finales,, El p vale, pues, p log [ + ] log (,),. 5

9.6 Determina el p de una disolución, mol L de ácido cianhídrico, CN, un ácido débil cuya K a vale,9. Si llamamos x a los moles L de ácido cianhídrico que se ionizan, obtenemos: CN + CN + + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Se han despreciado los iones + procedentes de la autoionización del agua, ya que son muy pocos comparados con los que origina la ionización del CN. Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez, y despejando, obtenemos: + [ CN ][ ] x x K a,9 x, [ CN], x eq Dado que el valor de K a es muy pequeño, el equilibrio anterior está muy desplazado hacia la izquierda. En consecuencia, la fracción de CN que se ioniza es muy pequeña, por lo que podemos despreciar x frente a,. Con dicha aproximación, esto es, - x,, la ecuación anterior queda: 6 Por tanto, el p valdrá: x x,,9 x, 6 p log [ + ] log (, 6 ) 5,66 9.7 La piperidina (C 6 N) es una base que se encuentra en cantidades pequeñas en la pimienta negra, y cuya constante de basicidad es K b,. Calcula la K a del ion piperidinio (C 6 N + ). El ion piperidinio es el ácido conjugado de la piperidina. Por tanto, K a (C 6 N + ) K b (C 6 N) K w. Si despejamos K a (C 6 N + ), obtenemos: K K w, + a(c6n ) 7,7 K (C b 6N), 9.8 Sabiendo que la siguiente reacción está muy desplazada hacia la derecha, razona si el ácido oxálico, C, es más fuerte o más débil que el ácido hipocloroso, Cl: C (aq) + Cl (aq) C (aq) + Cl (aq) Para un equilibrio ácido-base de BrønstedLowry cualquiera: En particular, para la reacción dada: Ácido + Base Base + Ácido K c K K a a (ácido ) (ácido ) C (aq) + Cl (aq) C (aq) + Cl (aq) Ka (C ) Kc K (Cl ) a Dado que el equilibrio anterior está muy desplazado hacia la derecha, el valor de su constante de equilibrio (K c ) es grande. En consecuencia, K a ( C ) > K a (Cl), es decir, el ácido oxálico es un ácido de Brønsted más fuerte que el ácido hipocloroso. En general, un equilibrio ácido-base está desplazado en el sentido en que el ácido más fuerte (con mayor K a ) sea el que ceda el protón. 5

9.9 El ion P es una especie anfótera: puede actuar como ácido y como base. Cuál es su base conjugada? Qué especie es su ácido conjugado cuando actúa como base? La base conjugada de un ácido es la especie que se obtiene cuando aquel cede un protón. Por tanto, la base conjugada del ion P es el ion fosfato: P. El ácido conjugado de una base es la especie que se obtiene cuando esta acepta un protón. Por tanto, el ácido conjugado del ion P es el ion dihidrógeno fosfato: P. 9. Utilizando el valor de la constante de acidez que se precise, calcula la constante de basicidad del ion P. El ion fosfato ( P despejamos K b ( P ) es la base conjugada del ion ), obtendremos: P. Por tanto, K a ( P ) K b ( P ) K w. Si K K w b(p ), K (P a ),5 9. Escribe las ecuaciones de las reacciones entre el Cl estomacal y los siguientes antiácidos: a) Al() b) NaAl() C c) CaC A igualdad de masa, cuál consume más cantidad de Cl? Las ecuaciones ajustadas de cada una de las reacciones dadas con el Cl son: a) Al() + Cl AlCl + b) NaAl() C + Cl NaCl + AlCl + C + c) CaC + Cl CaCl + C + Los mol de Cl consumidos por gramo de antiácido resultan: a) (mol Cl) (mol Al() ) (mol Al() ),85 (mol Cl ) 78,(g Al() ) (g Al() ) b) (mol Cl) (mol NaAl() C ) (mol NaAl() C),78 (mol Cl ), (g NaAl() C ) (g NaAl() C ) c) (mol Cl) (mol CaC (mol CaC).9 (g CaC ), (mol Cl ) ) (g CaC ) De los tres antiácidos dados, a igualdad de masa, el Al() es el que consume más cantidad de Cl. 9. Algunos antiácidos comerciales combinan Al() con Mg(). Cuál crees que puede ser la razón? Los productos que contienen hidróxido de aluminio, Al(), pueden causar estreñimiento, mientras que los que contienen hidróxido de magnesio, Mg(), actúan como laxantes. Al combinar estos dos antiácidos, sus efectos secundarios se contrarrestan. 5

9. Indica cuáles de los antiácidos de la tabla dada producen gas al reaccionar con el ácido clorhídrico. Los antiácidos que producen gas al reaccionar con el ácido clorhídrico son los que contienen el ion carbonato ( C ), ya que este reacciona con el Cl produciendo C gaseoso: C (aq) + Cl (aq) Cl (aq) + C (g) + (g) Es decir, AlkaSeltzer, NaC ; Rennie, Mg() y CaC ; Rolaids NaAl() C ; y Alcalak, CaC. 9. Considera las disoluciones de las siguientes sales: FeCl, KCl y N I. Cuáles de estas disoluciones serán ácidas, básicas o neutras? De los iones formados en la ionización del cloruro de hierro (III), anión Cl y catión Fe +, solo el segundo reacciona con el agua, mientras que el primero proviene de un ácido fuerte (Cl). La reacción de los iones Fe + con el agua produce iones hidronio, por lo que la disolución de FeCl es ácida: + ) 6 + ) 6 Fe + (aq) + 6 (l) Fe ( (aq) Fe ( (aq) + (l) Fe( ) 5 + (aq) + + (aq) De los iones formados en la ionización del yoduro amónico, anión I + y catión N, solo el segundo reacciona con el agua, ya que proviene de una base débil (el amoníaco), mientras que el primero proviene de un ácido fuerte (I). La reacción de los iones amonio con el agua produce iones hidronio, por lo que la disolución de N I también es ácida: + N + N + + La disolución de perclorato de potasio es neutra, ya que ni los iones Cl ni los K + producidos en la disociación del KCl reaccionan con el agua, dado que aquel procede de un ácido fuerte (Cl ) y este de una base fuerte (K). 9.5 La lejía es una disolución acuosa de hipoclorito de sodio, NaCl. Predice el carácter ácido, básico o neutro de la lejía. Al disolverse en agua, esta sal se disocia dando cationes Na + y aniones Cl : NaCl Na + + Cl La constante de acidez del catión Na + es prácticamente nula, de modo que los iones Na + no reaccionan en absoluto con el agua. Por el contrario, el ion Cl posee una constante de basicidad apreciable, ya que es la base conjugada de un ácido débil (Cl). El resultado es que parte de los iones Cl captan un protón del agua y producen iones hidróxido: Cl + Cl + Los iones formados son los responsables de que la disolución de NaCl sea básica, con un p mayor de 7. 9.6 De acuerdo con la teoría de Lewis, la siguiente reacción es una reacción ácido-base: Al() + [Al() ] Qué especie es el ácido y cuál la base? Una reacción en la que se forma un enlace covalente coordinado es una reacción ácidobase de Lewis. La especie que aporta el par de electrones de dicho enlace es la base de Lewis, mientras que la que lo acepta es el ácido de Lewis. Por tanto, en la reacción anterior, la base de Lewis es el ion hidróxido,, y el ácido, el hidróxido de aluminio, Al(), ya que el átomo de oxígeno del cede un par de electrones al átomo de aluminio del Al() para formar un enlace covalente coordinado: [ Al() ] 5

9.7 El proceso de Mond para la purificación del níquel metálico, Ni (s) + C (g) Ni(C) (g), es un proceso ácidobase de Brønsted? Es una reacción ácido-base de Lewis? No se trata de una reacción ácidobase de Brønsted, ya que no se produce una transferencia de un protón. Se trata de una reacción ácido-base de Lewis, puesto que se forma un enlace covalente coordinado entre el átomo de níquel y el de carbono del C. C C Ni C C EJERCICIS Y PRBLEMAS TERÍA DE BRØNSTED Y LWRY. CNSTANTES DE ACIDEZ Y BASICIDAD 9.8 Utilizando el modelo de Brønsted y Lowry, escribe las ecuaciones que explican por qué las siguientes especies se comportan como ácidos débiles en agua: a) N. c) Zn( ) +. + ) 6 b) Fe (. d) F. En el marco de la teoría de BrønstedLowry, un ácido débil es una especie que se disocia parcialmente en agua al ceder un protón. Las ecuaciones de las reacciones que tienen lugar al disolver las especies anteriores en agua, y que justifican su carácter ácido de de BrønstedLowry, son: a) N (aq) + (l) N (aq) + + (aq) b) + ) 6 Fe ( (aq) + (l) [Fe( ) 5 ] + (aq) + + (aq) c) [Zn( ) ] + (aq) + (l) Zn( ) () (aq) + + (aq) d) F (aq) + (l) F (aq) + + (aq) 9.9 El Na P y el Na P se obtienen a partir del ácido fosfórico, P, y de la sosa, Na C, según las reacciones: P (aq) + C (aq) P (aq) + C (aq) P (aq) + C (aq) P (aq) + C (aq) Identifica los pares ácidobase conjugados de Brønsted-Lowry en cada una de estas reacciones e indica una especie que sea anfótera. 5

En el marco de la teoría de Brønsted y Lowry, una reacción entre un ácido y una base es, simplemente, una reacción de transferencia de protones. La especie que cede el protón es el ácido, y la que lo acepta, la base. Un par ácido (A) / base (A ) conjugado difiere en un +. Por tanto, obtenemos: Ácido / base conjugada Ácido / base conjugada P / P P P / C / C C / C Una especie anfótera puede ceder o aceptar un protón, dependiendo de frente a quién se encuentre. Este es el caso del ion P : puede aceptar un protón (procedente, por ejemplo, del C ) para convertirse en P (como ocurre en la primera reacción en el sentido de derecha a izquierda) y puede ceder un protón (por ejemplo, al ion C ) para convertirse en P (como ocurre en la segunda reacción de derecha a izquierda). Aunque en las reacciones dadas el P actúa solo como base aceptando un protón (en la reacción de izquierda a derecha), esta especie también puede actuar como ácido cediendo un protón a una base adecuada y transformándose en el ion fosfato, P. El ion P es, pues, también una especie anfótera. Análogamente, aunque en las reacciones dadas el C actúa solo como ácido aceptando un protón (en las reacciones y de izquierda a derecha), esta especie también es anfótera, ya que puede actuar como una base aceptando un protón, procedente de un ácido adecuado, y transformándose en C. 9. La dimetilamina, (C ) N, un intermediario clave en la fabricación de detergentes, es una base débil. a) Escribe la ecuación de la reacción de la dimetilamina con el agua. b) La K b de la dimetilamina es 5,9. Calcula la K a del ion dimetilamonio, ( C ) N. a) Al ser una base débil, la dimetilamina se disocia, parcialmente, al aceptar un protón del agua: (C ) N (aq) + (l) ( C ) N (aq) + (aq) b) El ion dimetilamonio es el ácido conjugado de la dimetilamina. Por tanto, Al despejar K a [ ( C ) N ], obtenemos: + + K a [ ( C ) N ] K b [(C ) N] K w + + K K w, + a[(c ) N ),7 Kb [(C ) N] 5,9 9. La aspirina (K a,6 ) y el ibuprofeno (K a,5 5 ) son dos fármacos muy utilizados como analgésicos y antiinflamatorios. Ambos son ácidos de Brønsted-Lowry. Cuál de los dos es un ácido más fuerte? Compara las constantes de basicidad, K b, de sus bases conjugadas. Un ácido es tanto más fuerte cuanto mayor sea su constante de acidez. Por tanto, la aspirina es un ácido más fuerte que el ibuprofeno, ya que K a (aspirina),6 > K a (ibuprofeno),5 5. Para un par ácido (A) / base (A ) conjugados, K a (A) K b (A ) K w Esto implica que cuanto más fuerte sea un ácido (A) más débil es su base conjugada (A ). Por tanto, K a (aspirina) > K a (ibuprofeno) K b (base conjugada de la aspirina) < K b (base conjugada del ibuprofeno). 55

9. La quinoleína, C 9 7 N, una base débil que se utiliza como conservante de especímenes anatómicos, tiene un pk b 9,5. a) Escribe la ecuación de la reacción de la quinoleína con el ácido clorhídrico. b) Calcula la K a del ion C 9 7 N +. a) En una reacción ácido-base de Brønsted-Lowry, el ácido cede un protón a la base. Por tanto, la ecuación de la reacción entre la quinoleína (una base de Brønsted-Lowry) y el ácido clorhídrico (un ácido de Brønsted-Lowry) es: Cl (aq) + C 9 7 N (aq) Cl (aq) + C 9 7 N + (aq) b) El ion C 9 7 N + es el ácido conjugado de la quinoleína. Por tanto, K a (C 9 7 N + ) K b (C 9 7 N) K w. Al despejar K a (C 9 7 N + pkb ), y teniendo en cuenta que K b, obtenemos: K K w, + 5 a(c97n ), 9,5 K (C b 97N) 9. El ácido láctico, C 5, es un ácido débil con K a,. En contra de lo que se ha dicho toda la vida, parece ser que su acumulación en los músculos, tras un ejercicio intenso, no es el responsable del dolor de las agujetas. Calcula el valor de K b de su base conjugada, el ion lactato, C 5. La constante de acidez (K a ) de un ácido A está relacionada con la constante de basicidad (K b ) de su base conjugada A por la expresión: K a (A) K b (A ) K w Por tanto, la constante de basicidad del ion lactato (C 5 ) viene dada por: K K w, b(c5 ) 7, Ka (C5 ), 9. Los equilibrios siguientes están todos desplazados hacia la derecha: S (aq) + C (aq) C (aq) + N (aq) S (aq) + N (aq) S (aq) + C (aq) C (aq) + N (aq) S (aq) + N (aq) Basándote en dichos equilibrios, cuál será el orden de acidez de las especies que actúan como ácidos? Cuál es el orden de basicidad de las bases que intervienen? En general, un equilibrio ácido-base de Brønsted-Lowry está desplazado en el sentido en el que el ácido más fuerte (con mayor K a ) ceda el protón. En consecuencia, el primer equilibrio, desplazado en el sentido en el que el S cede su protón, indica que el S es más fuerte que el C y, por tanto, K a ( S ) > K a ( C ). El segundo equilibrio, desplazado en el sentido en el que el N cede su protón, indica que el N es más fuerte que el C y, por tanto, K a (N ) > K a ( C ). El tercer equilibrio, desplazado en el sentido en el que el S cede su protón, indica que el S es más fuerte que el N y, por tanto, K a ( S ) > K a (N ). En resumen: K a ( S ) > K a (N ) > K a ( C ) Cuanto más fuerte sea un ácido A, más débil es su base conjugada A. Por tanto, K a ( S ) > K a (N ) > K a ( C ) K b ( S ) < K b ( N ) < K b ( C ) 56

9.5 El Na C se usa para obtener Na P y Na P. Sin embargo, para eliminar el último y obtener Na P, una sustancia muy utilizada en la limpieza de paredes, se requiere Na: P (aq) + (aq) P (aq) +? a) Completa la reacción e identifica los pares ácido-base conjugados de Brønsted-Lowry. b) Utilizando los valores de las constantes de acidez convenientes, explica por qué se utiliza Na y no Na C, que es una sustancia más barata. a) P (aq) + (aq) P (aq) + (l) ácido base base ácido Un par ácido (A) / base (A ) conjugados de Brønsted-Lowry difieren en un +. Por tanto, los pares ácido/base que aparecen en la reacción dada son P / P y /. b) Para un equilibrio ácido-base de Brønsted-Lowry cualquiera: Ácido + Base Base + Ácido K En particular, para la reacción del P con el ion carbonato ( C ), P (aq) + C (aq) c K K a a P (aq) + (ácido ) (ácido ) C (l) ácido base base ácido a Ka (P ),5 Kc 9,6 K (C ),7 Dado el pequeño valor de K c, la reacción anterior está desplazada hacia la izquierda, es decir, el ion carbonato ( C ) no es una base suficientemente fuerte para aceptar un protón del P y formar el ion fosfato en una extensión apreciable. De hecho, dado que el P es un ácido más débil aún que el C, el ion fosfato ( P ) es una base más fuerte que el C. P es una base más débil que el ion hidróxido ( ), de modo que el Por el contrario, el más fuerte que el agua y, por tanto, la reacción: P es un ácido P (aq) + (aq) P (aq) + (l) ácido base base ácido tiene una constante de equilibrio: K c > Ka (P ) K ( ) a En consecuencia, esta reacción sí se produce con una extensión apreciable. 57

9.6 El ácido cítrico ( C 6 5 7 ) es el principal responsable de la acidez de los limones. Razona si se formará C en la elaboración de galletas de limón, en cuyo proceso se mezcla zumo de limón con bicarbonato de sodio (NaC ). Datos K a ( C 6 5 7 ) 7,. K a del ácido carbónico (C + ), 7 El ácido cítrico reacciona con el ion C, procedente de la disociación del bicarbonato de sodio, según un proceso de transferencia de un protón (reacción ácido-base de Brønsted-Lowry): C 6 5 7 (aq) + C (aq) C657 (aq) + C (aq) El ácido carbónico formado ( C ) es inestable y se descompone en C y agua: C (aq) C (g) + (l) La ecuación del proceso global que tiene lugar es: C 6 5 7 (aq) + C (aq) C657 Para un equilibrio ácido-base de Brønsted-Lowry cualquiera: (aq) + C (g) + (l) Ácido + Base Base + Ácido K c K K a a (ácido ) (ácido ) En particular, para la reacción del ácido cítrico con el ion C : 6 57 C 6 5 7 (aq) + C (aq) C (aq) + C (g) + (l) ácido base base ácido a Ka (C65 7) 7, K c,7 7 K (C + ), Dado el valor de la constante de equilibrio (K c ), la reacción anterior se produce, en el sentido de izquierda a derecha, en una extensión apreciable, de modo que en el proceso de elaboración de galletas referido sí se formará C gaseoso. ESCALA DE p. ANTIÁCIDS 9.7 La concentración de + en el suelo de los bosques es de alrededor de, 5 mol L, mientras que en los suelos desérticos es de casi, mol L. Esta diferencia se debe al C producido por descomposición de la materia orgánica. Calcula el p de ambos tipos de suelos. Si sustituimos los valores en la expresión correspondiente a la definición de p, obtenemos: Suelo de los bosques: p log [ + ] log (, 5 ),9 Suelos desérticos: p log [ + ] log (, ), 9.8 El p de los jugos gástricos es alrededor de,7. Cuál es la concentración aproximada de los iones + en el estómago? Al despejar la concentración de iones + en la expresión correspondiente a la definición de p, obtenemos: p log [ + ],7 [ + ],7, mol L 58

9.9 Recientemente, se ha desarrollado un sensor de p capaz de funcionar en condiciones de extrema acidez. Con este aparato se encontró que el p del agua subterránea en el interior de una mina abandonada era de,6 ( el signo menos no es un error!). Calcula la concentración de iones + en esa agua. La concentración de iones + en el agua de esa mina abandonada es: p log [ + ],6 [ + ],6 mol L 9. La constante de ionización del agua, K W, a la temperatura del cuerpo (7 ºC) es,5. a) Determina cuál es el p de una disolución neutra a esta temperatura. b) Si el p de la sangre es 7,, cuáles son las concentraciones de + y? a) La ecuación de autoionización del agua: + (aq) + + (aq) K c La expresión del producto iónico del agua es: K w K c [ ] [ + ] [ ] Una disolución es neutra si [ + ] [ ]. Por tanto, en una disolución neutra se cumple: K w [ + ] [ ] [ + ] [ ] [ + ] [ ] K w Si sustituimos el valor de K w a 7 ºC, obtenemos: [ + ] [ ] K w,5,6 7 mol L Por tanto, el p de una disolución neutra a 7 ºC es: p log [ + ] log (,6 7 ) 6,8 b) La concentración de iones hidronio y de iones hidróxido, respectivamente, en la sangre de p 7, y a la temperatura de 7 ºC es: p log [ + ] 7, [ + ] 7, 8 mol L [ ] K + [ ] w,5 8 6 7 mol L En un logaritmo, son significativos los dígitos a la derecha de la coma decimal. Los dígitos a la izquierda sirven para establecer la potencia de. Por tanto, se dan con una sola cifra significativa el dato del p de la sangre y, en consecuencia, los resultados. 9. La picadura de hormiga roja o de abeja puede tratarse con una disolución de NaC. En cambio, la picadura de avispa debe tratarse con vinagre o zumo de limón. A qué se debe la diferencia? La picadura de hormiga roja o abeja es ácida (debido al ácido fórmico), por lo que se neutraliza con una disolución de NaC, que es básica. Por el contrario, la picadura de avispa es básica por lo cual, para su neutralización se necesita una disolución ácida: por ejemplo, vinagre (debido al ácido acético que contiene) o zumo de limón (que contiene ácido cítrico, además de otros ácidos). 59

9. A partir de los valores de las constantes de acidez o de basicidad pertinentes, explica por qué el hidrogeno carbonato de sodio, NaC, puede utilizarse como antiácido. www.e-sm.net/qbach5 El NaC se disocia totalmente y produce iones sodio (Na + ) e iones hidrógeno carbonato ( C ). Estos últimos tienen carácter anfótero: pueden actuar como un ácido y como uno de Brønsted-Lowry: C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) ácido base base ácido C (aq) + (l) C (aq) + (aq) base ácido ácido base La constante de acidez del ion hidrógeno carbonato es K a ( C ),7. Por otra parte, dado que el C es la base conjugada del ácido carbónico ( C ) podemos calcular K b ( C ) a partir del valor de K a ( C ): K K w, 8 b(c ), 7 K a (C ), C se ioniza en agua generando iones Dado que K b ( C ) > K a ( C ), la reacción en la que el ion se produce en mayor extensión que la reacción en la que lo hace el ion El resultado global es que una disolución de NaC tiene carácter básico con un p > 7. C para generar iones +. El ácido carbónico es inestable y se descompone en agua según la ecuación: C C +. El valor dado para K a ( C ) es, en realidad, la constante de acidez del C disuelto en agua: K a (C + ). Véase el problema de síntesis 6. p DE DISLUCINES DE ÁCIDS Y BASES 9. El ácido clorhídrico, Cl, es un ácido fuerte. Durante mucho tiempo, se pensaba que contenía oxígeno. Calcula el p de una disolución,5 mol L de Cl. El Cl es un ácido fuerte que se disocia totalmente: Cl + Cl + + Concentraciones iniciales,5 Concentraciones finales 5,5 p log [ + ] log (,5), 9. El hidróxido de sodio, conocido como sosa cáustica, es el principal componente de muchos desatascadores de desagües y de limpiadores de hornos, ya que disuelve muy bien las grasas. Calcula el p de una disolución que contiene 6, g de Na por litro. La concentración de Na es: (mol) 6, (g) (g) (L),5 mol L El Na es una base fuerte que se disocia totalmente: Na Na + + Concentraciones iniciales,5 Concentraciones finales,5,5 Como [ + ] [ + ] K w, la concentración de iones hidronio será: [ ] Luego, p log [ + ] log (6,7 ),8. K w 6,7 mol L [ ],5 6

9.5 La llamada leche de magnesia es una mezcla de Mg() (s) y agua, que se utiliza como antiácido. En L de agua, se disuelven, aproximadamente,, g de Mg(). Calcula la concentración de iones hidróxido y el p de esta disolución. La concentración de Mg() es:,(g) (L) (mol) 58, (g),7 mol L El Mg() es una base fuerte que se disocia totalmente. Cada mol de Mg() produce dos moles de iones hidróxido. La concentración de iones es: [ ],7 (mol L ), mol L Mg() Mg + + Concentraciones iniciales,7 Concentraciones finales,7, Como [ + ] [ ] K w, la concentración de iones hidronio será: + [ ] K w,9 mol L [ ] Luego, p log [ + ] log (,9 ),5., 9.6 El ácido úrico, C 5 N, puede acumularse en las articulaciones. Esta afección, muy dolorosa, se conoce como gota. Calcula el p y el grado de disociación de una disolución,68 mol L - de ácido úrico, cuya constante de acidez es K a 5, 6. Si llamamos x a los moles L de ácido úrico que se ionizan, tenemos: C 5 N + C + + 5 N Concentración inicial ([ ] ),68 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),68 x x x Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez y despejar, obtenemos: - + [ C N ][ ] 5 x x x x 6 6 Ka 5, 5, x,8 [ C5N ],68 x,68 Por tanto, el valor del p será: p log [ + ] log (,8 ),7 eq El grado de disociación es: α [ C N ] 5 [ C N ] 5 inicial,8 (mol L ),8,68 6

9.7 La penicilina, el primer antibiótico utilizado para tratar infecciones bacterianas, es un ácido débil. Calcula el valor de su constante de acidez si sabemos que una disolución preparada añadiendo agua a 9,5 g de penicilina hasta obtener 65 ml tiene un p igual a,55. Dato. La masa molar de la penicilina es 56 g mol. La concentración inicial de penicilina, que designaremos Pen, es: (mol) 9,5 (g) 56 (g),65 (L) [ Pen],9 mol L Si llamamos x a los mol L - de penicilina que se disocian, tenemos: Pen + Pen + + Concentración inicial ([ ] ),9 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),9 x x x La concentración de iones + en el equilibrio podemos obtenerla a partir del valor del p: p log [ + ],55 [ + ],55,8 mol L Al aplicar los valores en la expresión de la constante de acidez (K a ) de la penicilina, obtenemos: K + [ Pen ][ ] x x (,8) a,7 [ Pen] eq,9 x,9,8 9.8 Los arándanos rojos son ricos en ácido benzoico, C 6 5 C, un conservante natural, razón por la cual la mermelada de arándanos rojos puede tener menos azúcar que otras. Calcula el p de una disolución saturada de ácido benzoico. Datos. La K a del ácido benzoico vale 6,5 5 y su solubilidad en agua es de solo, g L. En una disolución saturada, la concentración es igual a la solubilidad. Por tanto, la concentración molar inicial de ácido benzoico es:, (g L ) (mol),8 mol L, (g) Si llamamos x a los moles L de ácido benzoico que se ionizan, tenemos: C 6 5 C + C 6 5 C + + Concentración inicial ([ ] ),8 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),8 x x x Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez (K a ) y despejar, obtenemos: Luego, el p será: + [ C C ][ ] 6 5 x x 5 Ka 6,5 x,5 [ C65C],8 x eq p log [ + ] log (,5 ),87 El resultado final lo expresamos solo con dos cifras significativas (en un logaritmo son significativos los dígitos a la derecha de la coma decimal; los dígitos a la izquierda sirven para establecer la potencia de ), ya que K a se conoce de este modo. 6

9.9 El ácido fluoroacético se encuentra en el gifblaar, una de las plantas más venenosas conocidas. Una disolución,8 mol L - de este ácido tiene un p,56. Calcula la constante de acidez del ácido fluoroacético: C FC (aq) + (l) C FC (aq) + + (aq) Si llamando x a los moles L - de ácido fluoracético que se disocian, tenemos: C FC + C FC + + Concentración inicial ([ ] ),8 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),8 x x x La concentración de iones + en el equilibrio podemos obtenerla a partir del valor del p: p log [ + ],56 [ + ],56,8 mol L Al aplicar los valores en la expresión de la constante de acidez (K a ) del ácido fluoroacético, obtenemos: + [ C FC ][ ] x x (,8) Ka,7 [ CFC],8 x,8,8 eq 9. El ácido láctico, C 5, se encuentra en la leche agria, en donde es producido por la acción de lactobacilos sobre la lactosa (el azúcar de la leche). Una disolución,5 mol L - de ácido láctico tiene un p igual a,75. a) Determina el grado de ionización del ácido láctico en dicha disolución. b) Calcula la K a del ácido láctico. a) El grado de ionización (α) es igual a la fracción que se disocia. Es decir, para un ácido A: A (aq) + A + + α viene dado por: [A ] α [A] Si despreciamos los iones + procedentes de la autoionización del agua frente a los que se originan en la disociación del ácido A, se tiene: [A ] [ + ] p [A ] (mol L ) Al aplicar los valores en la expresión anterior para α, obtenemos: α,7 [A],5 (mol L ) b) Si llamamos x a los moles L - de ácido láctico que se disocian, tenemos:,75 C 5 + C + + 5 Concentración inicial ([ ] ),5 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),5 x x x La concentración de iones + en el equilibrio podemos obtenerla a partir del valor del p: p log [ + ],75 [ + ],75,8 mol L Al aplicar los valores en la expresión de la constante de acidez (K a ) del ácido láctico, obtenemos: + [ C ][ ] 5 x x (,8 ) Ka, [ C5 ],5 x,5,8 eq 6

9. La estricnina (C N ), un veneno utilizado para matar roedores, es una base débil cuya constante de basicidad es K b,8 6. Calcula el p de una disolución saturada de estricnina, que contiene 6 mg/ ml. En una disolución saturada, la concentración es igual a la solubilidad. Por tanto, la concentración molar inicial de estricnina es: (mol),6 (g),5 (g),8 mol L, (L) La estricnina es una base débil, por lo que reaccionará con el agua según el equilibrio: C N + + C N + Si llamamos x a los moles L de estricnina que se ionizan, tenemos: C N + + C N + Concentración inicial ([ ] ),8 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),8 x x x Al sustituir las concentraciones de la tabla en la expresión de la constante de basicidad (K b ), obtenemos: + [ C N ][ ] x x 6 6 Kb,8 x,85 [C N ],8 x Por tanto, la concentración de iones + + es: [ ] eq K w,5 moll 5 [ ],85 Entonces, el p vale: p log [ + ] log (,5 ) 9,5 El resultado final lo expresamos con solo dos cifras significativas (en un logaritmo son significativos los dígitos a la derecha de la coma decimal; los dígitos a la izquierda sirven para establecer la potencia de ), ya que K b se conoce esta forma. 9. La etanolamina, C N, es un líquido viscoso con olor parecido al amoníaco que se utiliza para eliminar el sulfuro de hidrógeno del gas natural. Se tiene una disolución de etanolamina en agua en la que esta se encuentra disociada en un,5%. Sabiendo que K b vale, 5, calcula: a) La concentración inicial de etanolamina. b) El p de la disolución. a) Llamemos C o a la concentración molar inicial de etanolamina. Los moles L de etanolamina que se,5 disocian son: C,5 C De acuerdo con la estequiometría de la reacción de disociación, tenemos: C N + + C N + Concentración inicial ([ ] ) C o Cambio en la concentración (Δ[ ]),5C o +,5C o +,5C o Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),985C o,5c o,5c o Al aplicar estos valores en la expresión de la constante de basicidad (K b ) de la etanolamina y despejar, + [ CN ][ ] (,5 Co ) 5 obtenemos: Kb, Co, mol L [ CN ],985Co b) La concentración de iones + es, pues, + [ ] eq K,,8 mol L w [ ] (,5) (,) Por tanto, el p es: p log [ + ] log (,8 ), 6

9. La trimetilamina, (C ) N, es uno de los responsables del desagradable olor del pescado en descomposición. Una disolución,5 mol L - de trimetilamina tiene un p igual a,8. a) Determina el grado de ionización de la trimetilamina. b) Calcula la K b de esta base orgánica. a) El grado de ionización de una base (α) es igual a la fracción de la misma que se disocia. Por tanto, para la trimetilamina, que se disocia en agua según la ecuación: (C ) N (aq) + (l) (C ) N + (aq) + (aq) el valor de α viene dado por: + ] eq [(C ) N α [(C ) N] o Si despreciamos los iones procedentes de la autoionización del agua frente a los que se originan en la disociación de la trimetilamina, se tiene: [(C ) N + ] eq [ ] La concentración de iones puede obtenerse a partir del p: [ ] K w + p [ ] w, [ ],9 mol L,8 Sustituyendo en la expresión anterior para α, se obtiene: K α [(C ) N [(C ) N] + ] eq o [ ] [(C ) N] o α,9 (mol L ),8,5 (mol L ) b) Si sustituimos los valores de las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de basicidad (K b ) de la trimetilamina, obtenemos: K b + [(C ) N ] [ ] [(C ) N] eq (,9 ) Kb 7,5,5,9 5 Se ha tenido en cuenta que la concentración de trimetilamina que se encuentra sin disociar, una vez alcanzado el equilibrio, es igual a la concentración inicial menos la que se ha disociado: [(C ) N] eq [(C ) N] o [(C ) N + ] eq 65

9. Una disolución de amoníaco de uso doméstico tiene una densidad igual a,98 g ml y posee un 6,8% en masa de N. Calcula cuántos mililitros de esta disolución deben diluirse en agua para obtener 65 ml de una disolución de p,58. Dato. K b (N ),8 5. La concentración inicial, en mol L, de la disolución de amoníaco dada es:,98 (g disol.) (ml) 6,8 (g N ) (mol N ),9 (mol N ) [ N ],9 mol o L (ml disol.) (L) (g disol.) 7, (g N ) (L disol.) Si llamamos C o a la concentración inicial de amoníaco en una disolución cuyo p sea,58, y x a los mol por litro de amoníaco que se disocian en dicha disolución, tenemos: N + + N + Concentración inicial ([ ] ) C o Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ) C x +x x La concentración de iones hidronio en dicha disolución es: [ + ] p,58 mol L y, por tanto, la concentración de iones hidróxido tiene que ser: [ ] K w + [ ],,58,8 mol L Al aplicar los valores en la expresión de la constante de basicidad (K b ) del amoníaco y despejar C o, obtenemos: + [ N ][ ] x (,8 ) 5 Kb,8 C o,8 mol L [ N ] Co x (Co,8 ) eq Los 65 ml de una disolución,8 mol L,8 (mol N ) de N contienen:,65 (L),5 mol N (L) El volumen de la disolución inicial, de concentración,9 mol L, que contiene esta cantidad de N es: (L),5 (mol N ),8 L 8 ml,9 (mol N ) Por tanto, para preparar 65 ml de una disolución cuyo p sea,58, hay que tomar 8 ml de la disolución inicial (con riqueza del 6,8% en masa de N ) y diluir con agua hasta completar 65 ml de la disolución final. 9.5 La sacarina, un edulcorante artificial bajo en calorías, es un ácido muy débil cuyo pk a vale,68 a 5 ºC. En disolución acuosa se ioniza según el equilibrio: NC 7 S (aq) + (l) NC 7S (aq) + + (aq) Calcula el p de una disolución, mol L - de sacarina. Si llamamos x a los moles L de sacarina que se ionizan, tenemos: NC 7 S + NC 7S + + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez (k a ) y despejar, obtenemos: + [ NC S ][ ] 7 x x Ka [ NC7S], x eq La K a de la sacarina se determina a partir del pk a : pk a log K a K a pka,68, Si sustituimos este valor en la ecuación anterior y despejamos el valor de x, obtenemos: x x,, x x,, x 6,5 (Dado el valor tan pequeño de K a, el equilibrio está muy desplazado hacia la izquierda, de manera que puede despreciarse x frente a,.) Por tanto, el p es: p log [ + ] log (6,5 7 ) 6,9 7 66

9.6 El ácido ascórbico, C 6 6 6 (vitamina C), es un ácido diprótico (K a 7,9 5 y K a 5, ). Calcula el p y la concentración de todas las especies presentes en una disolución,8 mol L - de ácido ascórbico. Dado que K a es mucho menor que K a, los iones + procedentes de la disociación del C 666 pueden despreciarse frente a los que proceden de la disociación del C 6 6 6, es decir, para el cálculo del p basta considerar la primera disociación. Si llamamos x a los mol L de sacarina que se ionizan, tenemos: C 6 6 6 + C + + 6 66 Concentración inicial ([ ] ),8 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),8 x x x Si sustituimos las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez (K a ), y despejamos, obtenemos: Por tanto, el p es: K + [ C ][ ] 6 6 6 5 a 7,9 x,5 [ C ] y las concentraciones en el equilibrio son: 6 6 6 eq x x,8 x p log [ + ] log (,5 ),6 [ C 6 66 ] [ + ],5 mol L [ C 6 6 6 ],8 mol L,5 mol L,78 mol L [ ] K + [ ] w,,5, mol L Dado que el valor de K a es muy pequeño, el equilibrio correspondiente a la segunda ionización: 666 C (aq) + (l) 666 C (aq) + + (aq) está muy desplazado hacia la izquierda. Por ello, la fracción de 666 C que se disocia para dar muy pequeña, lo que justifica que se tome como [C 6 6 6 ] el valor obtenido en la primera disociación. 666 666 C es Finalmente, la concentración de C se determina despejando en la expresión de la constante de acidez (K a ) para la segunda ionización: Dado que [ C 6 66 K a + [ C666 ] [ ] [ C ] 6 6 6 eq [ C ] 6 6 6 K a [ C666 ] + [ ] ] [ + ], el valor de [ C ] coincide con el de K a. 6 66 5, mol L. 67

9.7 La expresión para el porcentaje de ionización de un ácido débil es: % ionizado (pka p) + a) Demuestra dicha ecuación. Qué suposiciones hay que hacer para obtenerla? b) Utiliza dicha ecuación para calcular el porcentaje de ionización de ácido butírico en una disolución cuyo p es,6. La K a del ácido butírico (responsable del olor de la mantequilla rancia) es,6 5. a) El porcentaje de ionización de un ácido débil (A) viene dado por: [A ] eq [A ] eq % ionizado α [A] [A ] + [A] Si dividimos el numerador y el denominador de la expresión anterior por [A ], resulta: ] eq ] eq [A % ionizado [A + [A] eq eq [A] + [A A partir de la expresión de la constante de acidez de A (K a ), y de la definición de p y pk a, se obtiene: + + p [A ] [ ] [A] eq [ ] (pka p) Ka pka [A] [A ] K eq eq a eq ] eq Al llevar este resultado a la ecuación anterior, resulta: % ionizado, [A] eq (pka p) + + [A ] eq que es la ecuación que se quería demostrar. Se trata de una ecuación general, ya que en su deducción no se ha hecho ninguna suposición particular. b) Para el ácido butírico, pk a log (,6 5 ),8. Si sustituimos los valores en la ecuación anterior, se obtiene: % ionizado,6% (pka p) + (,8,6) + eq PRPIEDADES ÁCID-BASE DE LAS SALES 9.8 Los arándanos necesitan un suelo bastante ácido para prosperar. Razona cuál de los siguientes fertilizantes nitrogenados es el más adecuado para cultivarlos: a) Nitrato de amonio, N N. b) Carbonato de amonio, (N ) C. c) Disolución acuosa de amoníaco, N. d) Nitrato de sodio, NaN. a) De los iones formados en la ionización del nitrato de amonio, el anión N no sufre hidrólisis, ya que al ser la base conjugada de un ácido fuerte (N ) su fuerza como base es casi nula. Por otra parte, el + catión N es el ácido conjugado de una base débil (amoníaco). En consecuencia, la reacción de los iones amonio con el agua produce iones hidronio, por lo que la disolución de nitrato de amonio es ácida: + N + N + + 68

b) El carbonato de amonio se disocia en agua y produce iones amonio e iones carbonato. Como se acaba de ver, los iones amonio tienen carácter ácido. Por su parte, el ion carbonato ( C ) es la base conjugada del C, un ácido débil. En consecuencia, los iones C tienen carácter básico y se hidrolizan formando iones hidróxido: C (aq) + (l) C (aq) + (aq) Si comparamos el valor de la constante de acidez (K a ) del N con la de basicidad (K b ) del C, K + K w, a(n ) 6,7 5 Kb(N ),5 + K w, < Kb(C ),, K (C ),8 se puede concluir que la hidrólisis de los iones amonio (en la que se forman iones + ) se produce en menor extensión que la de los iones carbonato (en la que se forman iones ). En consecuencia, la disolución de carbonato de amonio es básica. c) Dado que el amoníaco es una base de Brønsted-Lowry, su disolución acuosa tiene carácter básico: + N (aq) + (l) N (aq) + (aq) d) La disolución acuosa de nitrato de sodio es neutra, ya que ni los iones Na + ni los producidos en la disociación del NaN reaccionan con el agua. En efecto, los iones Na + no tienen carácter ácido, ya que proceden de una base fuerte, y los iones N no poseen carácter básico, puesto que son la base conjugada de un ácido fuerte. Por tanto, de las cuatro sustancias dadas, solo el nitrato de amonio da lugar a disoluciones acuosas ácidas. Dado que los arándanos requieren un suelo ácido, el mejor fertilizante para el cultivo de esta baya es el N N. a N 9.9 El benzoato de sodio, NaC 7 5, se utiliza como preservativo de los alimentos (código E-). Calcula el p de una disolución, mol L - de dicho compuesto. La constante de acidez del ácido benzoico, C 7 5, es 6,5 5. El NaC 7 5 es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: NaC 7 5 Na + + C 7 5 Concentraciones iniciales, Concentraciones finales,, Los iones Na + no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte. Sin embargo, los iones C 75 tienen carácter básico, ya que son la base conjugada del ácido benzoico (C 7 5 ), que es un ácido débil. Si llamamos x a los moles L de C que se protonan, tenemos: 7 5 75 C + C 7 5 + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x + x + x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Al sustituir los valores en la expresión de la constante de basicidad (K b ) del ion benzoato, obtenemos: - [ C75 ][ ] [ C ] x K w, Kb,5 5 7 5, x Ka (C75 ) 6,5 eq Para que el cociente que aparece en la ecuación anterior sea,5, el valor de x debe ser muy pequeño. Por tanto, podemos hacer la aproximación:, x, x 6 La ecuación de arriba queda entonces,,5 x 6,7, Por tanto, la concentración de iones hidróxido es [ ] 6,7 6 mol L y el valor del p resulta: p log + [ ] K w, log log 8,8 6 6,7 [ ] 69

9.5 Una disolución acuosa, mol L - de ácido perclórico, Cl, tiene un p de,. Si se disuelve perclorato de sodio en agua, el p será mayor, menor o el mismo que el valor observado antes de añadir la sal? La concentración de iones hidronio en la disolución, mol L - de Cl es: p log [ + ], [ + ],, mol L Por tanto, el ácido perclórico (Cl ) se encuentra totalmente disociado en agua, es decir, se trata de un ácido fuerte. En consecuencia, al disolver perclorato de sodio en agua, no se observará ningún cambio de p, ya que al tratarse de una sal procedente de un ácido y de una base fuertes, ni el catión (Na + ) ni el anión ( Cl ) originados en la disociación de la sal experimentan hidrólisis. 9.5 El ion [Al( ) 6 ] + es un ácido con K a, 5. Por esta razón, el papel, al que se adiciona Al (S ) para hacerlo más resistente y menos poroso, es ácido. Calcula el p y el tanto por ciento de hidrólisis de una disolución,5 mol L - de Al (S ). El sulfato de aluminio es una sal soluble que se disocia totalmente en agua: Al (S ) + Al + S Concentraciones iniciales,5 Concentraciones finales,,5 El ion S apenas sufre hidrólisis, pues es la base conjugada de un ácido bastante fuerte, mientras que el ion Al + (o más exactamente, los iones [Al( ) 6 ] + ) sí la experimenta, ya que muestra carácter ácido. Si llamamos x a los moles L de [Al( ) 6 ] + que se hidrolizan, tenemos: [Al( ) 6 ] + + [Al( ) 5 ] + + + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Si sustituimos los valores de las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez (K a ) del [Al( ) 6 ] +, obtenemos: K a + + [ Al() 5 ][ ] + [ Al( ) ] 6 eq x x,, x Por tanto, el p de la disolución es: p log [ + ] log (, ),96 5 x, mol L El porcentaje de hidrólisis viene dado por: % hidrólisis α + [ Al() 5 ] + [ Al( ) ] 6 o eq, (mol L ),%, (mol L ) 7

9.5 El ácido sórbico, C 6 7, es un ácido monoprótico débil cuya K a es,7 5. Una de sus sales, el sorbato de potasio (KC 6 7 ), se añade al queso, y a otros alimentos, para evitar la formación de moho. Calcula el p de una disolución que contiene 7,8 g de sorbato de potasio en,5 L de disolución. La concentración molar inicial de sorbato de potasio (KC 6 7 ) es: 7,8 (g) 5,6 (g),5 (L) (mol),7 mol L El KC 6 7 es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: KC 6 7 K + + C 6 7 Concentraciones iniciales,7 Concentraciones finales,7,7 Los iones K + no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte. Sin embargo, los iones carácter básico, ya que son la base conjugada del ácido sórbico, C 6 7, que es un ácido débil. 67 C tienen Si llamamos x a los moles L de 67 C que se protonan, tenemos: 67 C + C 6 7 + Concentración inicial ([ ] ),7 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),7 x x x Al aplicar los valores en la expresión de la constante de basicidad (K b ) del ion sorbato, obtenemos: [ C67 ][ ] [ C ] x K w, Kb 5,9 5 6 7,7 x Ka (C67 ),7 eq Para que el cociente que aparece en la ecuación anterior sea 5,9, el valor de x debe ser muy pequeño. Por tanto, podemos hacer la aproximación: La ecuación de arriba queda entonces,7 x,7 x 5,9,7 x,5 5 La concentración de iones hidróxido es, pues, [ ],5 5 mol L y el valor del p resulta: p log + [ ] K w log 5 [ ], log,5 9,8 7

9.5 Una lejía comercial, cuya densidad es, g ml, contiene un,8% en masa de hipoclorito de sodio. a) Cuál es el p de esa lejía? b) Calcula qué fracción de los iones Cl iniciales se encuentran en forma de Cl ( grado de hidrólisis ). Dato. K a (Cl),9 8. a) La concentración molar inicial de hipoclorito de sodio es: [ NaCl],67 mol L o, (g disol.) (ml disol.) (ml) (L),8 (g NaCl) (g disol.) El NaCl es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: (mol NaCl) 7, (g NaCl) NaCl Na + + Cl Concentraciones iniciales,67 Concentraciones finales,67,67,9 (mol N ) (L disol.) Los iones Na + no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte. Sin embargo, los iones Cl tienen carácter básico, ya que constituyen la base conjugada del ácido hipocloroso (Cl), que es un ácido débil. Si llamamos x a los moles L de Cl que se protonan, tenemos: Cl + Cl + Concentración inicial ([ ] ),67 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),67 x x x La constante de basicidad (K b ) del ion hipoclorito es: a K w, Kb (Cl ),5 8 K (Cl),9 7 Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la K b del ion hipoclorito, obtenemos: x Kb,,67 x [ Cl ] [ ] [ Cl ] Para que el cociente que aparece en la ecuación anterior sea,5 7, el valor de x debe ser muy pequeño. Por tanto, podemos hacer la aproximación: Luego, la ecuación de arriba queda eq,67 x,67 7 x,,67 7 x,8 La concentración de iones hidróxido es, pues, [ ],8 mol L y el valor del p resulta: p log + [ ] K w log [ ] b) El grado de hidrólisis de los iones hipoclorito viene dado por:, log,8,68 α [ Cl] [ Cl ] eq o,8 (mol L ) 7,,67 (mol L ) Es decir, el porcentaje de hidrólisis es α,7%. 7

9.5 El fosfato de sodio, Na P, tiene muchos usos industriales, que van desde la fabricación del papel hasta la limpieza de los grafiti de las paredes. Se vende comercialmente como TSP, con la advertencia de que es dañino para la piel y los ojos. Calcula el p de una disolución que contiene 8, g de Na P en un volumen de 5 ml K a (P ),8. 8, (g) (mol) 6,9 (g) P o, mol L La concentración molar inicial de fosfato de sodio es: [ ] El Na P es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: Na,5 (L) Na P Na + + P Concentraciones iniciales, Concentraciones finales,6, Los iones Na + no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte (Na). Sin embargo, los iones fosfato, P, tienen carácter básico, ya que son la base conjugada del ácido ion ( P ), que es un ácido débil: El ion El ion Equilibrio : P (aq) + (l) P (aq) + (aq) P es anfótero y actúa también como base de Brønsted-Lowry según el equilibrio: Equilibrio : P (aq) (aq) + (l) P (aq) + (aq) P es, a su vez, anfótero y también actúa como base de Brønsted-Lowry según el equilibrio: Equilibrio : P (aq) + (l) P (aq) + (aq) Como K a ( P ) < K a ( P ) < K a ( P ), y dado que cuanto mayor es la constante de acidez (K a ) de un ácido (A) menor es la constante de basicidad (K b ) de su base conjugada (A ), se cumple que: K b ( P ) > K b ( P ) > K b ( P ), de modo que los equilibrios y se producen en mucha menor extensión que el equilibrio. Por tanto se pueden tomar las concentraciones originadas en la hidrólisis del ion fosfato (equilibrio ) como valores de la concentración final de equilibrio de iones y P. Así pues, si llamamos x a los mol L de P que se protonan, tenemos: P + P + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Al aplicar los valores en la ecuación de K b del ion fosfato, obtenemos: [ P ][ ] [ P ] x K w, Kb(P ),, x Ka (P ),8 Si resolvemos la ecuación de.º grado anterior en x, se obtiene: eq x,55 mol L [ ] x,55 mol L La concentración de iones hidronio y el p resultan: p log + [ ] K w log [ ], log,55,7 7

9.55 El propionato de calcio, Ca(C C C), es uno de los inhibidores de hongos más utilizados para alargar la vida de los alimentos y medicamentos. a) Razona si una disolución acuosa de propionato de calcio es ácida, básica o neutra. b) Calcula el p de una disolución que contiene, g de Ca(C C C) por litro. Dato. K a (C C C), 5 a) La concentración molar inicial de propionato de calcio es: (mol),(g) 86, (g), (L),757 mol L El Ca(C C C) es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: Ca(C C C) Ca + + C C C Concentraciones iniciales,757 Concentraciones finales,757,5 Los iones Ca + no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte. Sin embargo, los iones C C C tienen carácter básico, ya que son la base conjugada del ácido propiónico (C C C), que es un ácido débil. Por tanto, la disolución acuosa de Ca(C C C) será básica. b) Si llamamos x a los moles L de C C C que se protonan, tenemos: C C C + C C C + Concentración inicial ([ ] ),5 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x + x + x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),5 x x x La constante de basicidad (K b ) del ion propionato es: a 5 K w, Kb 7,7 5 K (C C), Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la K b del ion propionato, obtenemos: x Kb 7,7 5,5 x [ C5C][ ] [ C C ] Para que el cociente que aparece en la ecuación anterior sea 7,7, el valor de x debe ser muy pequeño. Por tanto, podemos hacer la aproximación: La ecuación de arriba queda entonces,5 x,5 eq x 7,7,5 x, 5 La concentración de iones hidróxido es, pues, [ ], 5 mol L y el valor del p resulta: p log + [ ] K w log 5 [ ], log, 9, 7

9.56 Las aminas son bases débiles y reaccionan con el Cl formando sales ácidas (denominadas hidrocloruros), que son más solubles en agua que la correspondiente amina. El componente activo de muchos medicamentos sin receta es un hidrocloruro de amina. Calcula para una disolución,5 mol L - de hidrocloruro de papaverina (Pap + Cl ), una sal utilizada como relajante muscular, a) el valor del p. b) el porcentaje de hidrólisis. Dato. La K b de la papaverina (Pap) vale 8, 9. a) El hidrocloruro de papaverina (Pap + Cl ) es una sal soluble que se disocia en agua totalmente: PapCl Pap + + Cl Concentraciones iniciales,5 Concentraciones finales,5,5 El ion Cl no sufre hidrólisis, pues es la base conjugada de un ácido fuerte. Por el contrario, el ion Pap + experimenta hidrólisis ácida, ya que es el ácido conjugado de la papaverina, una base débil. Si llamamos x a los moles L de Pap + que se hidrolizan, tenemos: Pap + + Pap + + Concentración inicial ([ ] ),5 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x + x + x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),5 x x x La constante de acidez (K a ) del Pap + podemos calcularla a partir de la constante de basicidad (K b ) de la papaverina: b K w, + Ka(Pap ), 9 K (Pap) 8, 6 Si sustituimos los valores de las concentraciones de equilibrio en la expresión de la K a y despejamos el valor de x, obtenemos: K a + [ Pap][ ] + [ Pap ] Por tanto, el p de la disolución es: eq x x,,5 x 6 p log [ + ] log (5, ), x 5, mol L bsérvese que resulta un p ácido, como corresponde a la disolución de una sal de ácido fuerte y base débil. b) El porcentaje de hidrólisis viene dado por: [Pap] % hidrólisis α [Pap eq + ] 5, (mol L ),5 (mol L ),% 75

9.57 La sosa, Na C, es una de las bases más antiguas conocidas. Los egipcios ya la utilizaban en el proceso de momificación. Calcula el p y las concentraciones de todas las especies en una disolución, mol L - de Na C. C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) K a, 7 C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) K a,8 El Na C es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: Na C Na + + C Concentraciones iniciales (mol L - ), Concentraciones finales (mol L - ),, Los iones Na + no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte. Sin embargo, los iones C tienen carácter básico, ya que son la base conjugada del ácido hipocloroso ( C ), que es un ácido débil: Equilibrio : C (aq) + (l) C (aq) + (aq) El ion C es anfótero y actúa también como base de Brønsted-Lowry según el equilibrio: C (aq) + (l) C (aq) + (aq) El ácido carbónico formado es inestable y se descompone en C y agua: C (aq) C (aq) + (l) La reacción neta del ion C como base de Brønsted-Lowry en agua, pues, resulta: Equilibrio : La constante de equilibrio de esta reacción es: K [ C][ ] [ C ] C (aq) C (aq) + (aq) + + [ C] [ ] [ ] [ ] [ ] K w, 8 b(c ), + + [C 7 ] [ ] [C eq ] [ ] Ka, [ ] Dado el valor tan pequeño de K b ( C ), el equilibrio anterior está muy desplazado hacia la izquierda. Por tanto, podemos despreciar los iones procedentes de la protonación del C (equilibrio ) frente a los producidos en la protonación del ion carbonato (equilibrio ). Por la misma razón, dado el valor tan pequeño de K b ( C ), podemos despreciar los iones C que desaparecen en el equilibrio frente a los que se forman en el equilibrio. De este modo, si llamamos x a los moles L de C que se protonan, tenemos: C + C + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Al aplicar los valores en la expresión de la constante de basicidad (K b ) del ion carbonato, obtenemos: [ C ][ ] x K w, Kb(C ), [ C ], x K eq a (C ),8 Si resolvemos la ecuación de.º grado anterior en x, obtenemos: x,5 mol L, [ ] [ C ] x,5 mol L La concentración de iones hidronio y el p resultan: + [ ] K w, mol L p log (, ) [ ],,5 eq,65 La concentración de iones carbonato es: [ C ], x,96 mol L Finalmente, la concentración de C se obtiene a partir de la expresión de la K b ( C ): 8 [ C(aq) ][ ] K [C ] (, ) (,5 ) Kb [ C ] [ ],5 b 8 [ C (aq)], mol L 76

PRBLEMAS DE SÍNTESIS 9.58 La efedrina (C 5 N) es una base utilizada en espráis como descongestionante nasal. a) Escribe una ecuación para la reacción de equilibrio con el agua. b) La K b para la efedrina es,. Calcula el valor de K a de su ácido conjugado. c) Una disolución acuosa de hidrocloruro de efedrina (C 5 N + Cl ), será ácida, básica o neutra? a) Dado que es una base débil, la efedrina acepta un protón de la molécula de agua según el siguiente equilibrio: C 5 N (aq) + (l) C 5 N + (aq) + (aq) b) La constante de acidez del ácido conjugado de la efedrina (el ion C 5 N + ) se puede calcular a partir de la constante de basicidad (K b ) de la efedrina: K K w, + a(c5n ) 7, Kb(C5N), c) El hidrocloruro de efedrina (C 5 N + Cl ) se disocia en agua dando iones C 5 N + (aq) e iones Cl (aq). El ion cloruro no sufre hidrólisis, ya que es la base conjugada de un ácido fuerte, de manera que su K b es extremadamente pequeña. Por el contrario, el ion C 5 N + experimenta hidrólisis ácida, al ser el ácido conjugado de la efedrina (una base débil). La ecuación de la reacción de hidrólisis es: C 5 N + (aq) + (l) C 5 N (aq) + + (aq) Por tanto, una disolución de hidrocloruro de efedrina será ligeramente ácida. Dado el valor tan pequeño de la K a del ion C 5 N +, el equilibrio anterior está muy desplazado hacia la izquierda, de modo que el grado de hidrólisis es pequeño. 9.59 Tanto el cloruro de potasio, KCl, como el cloruro de amonio, N Cl, son sólidos blancos. Sugiere un reactivo que permita diferenciar estas dos sales. Como reactivo puede utilizarse, simplemente, agua. Basta con disolver la sal dada en agua y medir el valor del p de la disolución formada. Si disolvemos KCl en agua, la disolución resultante es neutra, mientras que la disolución acuosa de N Cl es ácida. En efecto, ni los iones K + ni los Cl producidos en la disociación del KCl reaccionan con el agua. Los iones K + no tienen carácter ácido, ya que proceden de una base fuerte (K), mientras que los iones Cl no poseen carácter básico por ser la base conjugada de un ácido fuerte (Cl). En consecuencia, una disolución acuosa de KCl es neutra. Por otra parte, de los iones formados en la ionización del cloruro de amonio, el anión Cl no sufre hidrólisis, por + las razones señaladas, mientras que el catión N es el ácido conjugado de una base débil (amoníaco). En consecuencia, la reacción de los iones amonio con el agua produce iones hidronio, por lo que la disolución de nitrato de amonio es ácida: + N (aq) + (l) N (aq) + + (aq) tro posible reactivo es una base suficientemente fuerte, como el Na. La reacción ácido-base en la cual el ion + (producido en la disociación de la base) capta un protón del ion N (aq), lo que produce amoníaco, está muy desplazada hacia la derecha: + N (aq) + (aq) N (aq) + (l) El amoníaco formado, se desprende en forma de gas y es fácilmente identificable por su inconfundible e irritante olor. 77

9.6 El p de una disolución mol L - de Cl es, y el de una disolución mol L -,. Razona por qué, entonces, el p de una disolución 8 mol L - de Cl no es 8, y calcula su valor. Un ácido fuerte, como es el Cl, se disocia totalmente en agua produciendo iones Cl (aq) e iones + (aq). Generalmente, los iones hidronio procedentes de la autoionización del agua pueden despreciarse frente a los que proceden de la disociación del ácido fuerte. Si designamos C a la concentración inicial de Cl, tenemos: Cl + Cl + + Concentraciones iniciales C Concentraciones finales C C Por tanto, el p es: p log [ + ] log (C ), si, por ejemplo, C mol L -, p log ( ), y si C mol L -, p log ( ). Sin embargo, cuando C es muy pequeña, la concentración de iones hidronio procedentes de la autoionización del agua puede ser comparable, con la concentración de iones hidronio procedentes de la disociación del Cl, o incluso mayor. Si designamos x a los moles L de iones + procedentes del agua, tenemos: + + Cambio en la concentración x +x +x Concentraciones finales x x Cl + Cl + + Concentraciones iniciales C x Concentraciones finales C C + x Al sustituir valores en la expresión del producto iónico del agua (K w ) y despejar x, resulta: K W [ + ] [ ] (C + x) (x), Para C 8 mol L, la expresión anterior queda: 8 x + x,. Al resolver esta ecuación de segundo grado en x, obtenemos: x 9,5 8 mol L El valor del p es: p log [ + ] log (C + x) log (, 8 + 9,5 8 ) 6,98 78

9.6 El C se elimina de los espacios cerrados de las naves espaciales haciendo que reaccione con hidróxido de litio, una sustancia muy ligera: C (g) + Li (s) LiC (s) Demuestra que se trata de una reacción ácido-base de Lewis. El átomo de oxígeno del ion, presente en el hidróxido de litio, puede aportar un par de electrones para formar un enlace covalente dativo. Por tanto, puede actuar como una base de Lewis. Por su parte, el átomo de carbono de C puede actuar como ácido de Lewis y acepta un par de electrones para formar un enlace dativo: (Li + ) + C (Li + + ) + C (Li + ) C Base de Lewis Ácido de Lewis Una reacción en la que se forma un enlace covalente coordinado es una reacción ácido-base de Lewis. La especie que aporta el par de electrones de dicho enlace es la base de Lewis, mientras que la especie que acepta el par de electrones es el ácido. Por tanto, la reacción anterior es una reacción ácido-base de Lewis. 9.6 El ácido hexafluoroantimónico, SbF 6, denominado super-ácido, es el ácido más fuerte conocido. Se obtiene como producto de la siguiente reacción ácido-base de Lewis: Identifica el ácido y la base de Lewis. F + SbF 5 SbF 6 En la reacción entre el fluoruro de hidrógeno (F) y el pentafluoruro de antimonio (SbF 5 ), el primero es la base de Lewis, y el segundo, el ácido, ya que el átomo de flúor del F cede un par de electrones al átomo de antimonio del SbF 5 para formar un enlace covalente coordinado: F + SbF 5 [F SbF 5 ] 9.6 El ácido carbónico no es tan débil como la mayoría piensa. El valor de su primera constante de ionización, K a, 7, corresponde, en realidad, al equilibrio: C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) Sabiendo que, en el agua a 5 ºC, solo hay una molécula de C (aq) por cada 8 moléculas de C (aq), calcula: a) La constante de equilibrio de la reacción de la reacción: C (aq) + (l) C (aq). b) La verdadera constante de acidez, K ' a, del C : C (aq) + (l) C (aq) + + (aq). a) La constante de equilibrio de la reacción: C (aq) + (l) C (aq) viene dada por la expresión: K * [ C] [ C(aq) ] eq Dado que el volumen en el que se encuentran las especies disueltas es el mismo, el cociente de sus concentraciones es igual al cociente de los moles y, por tanto, al cociente de los números de moléculas. Si sustituimos los datos dados, el valor de la constante de equilibrio de la reacción anterior, a 5 ºC, resulta: * K [ C] [ C (aq)] eq, 8 79

b) La verdadera constante de acidez del ácido carbónico (K a ) corresponde a la expresión: ' K a mientras que el valor K a, 7, corresponde a: El valor de K a puede relacionarse con K a y + [ C ][ ] eq K a + [ C ][ ] * K : - + [ C ][ ] [ C] eq + [ C ][ ] [C (aq)] eq eq + [ C ][ ] ' [C (aq)] [C (aq) K K a [ C] [ C] [C (aq)] [C (aq)] Al sustituir valores, se obtiene: eq a * [ C ] K eq K 7 ' Ka, a, * K, La relación entre las diferentes constantes de equilibrio también se podría haber obtenido a partir de la ley de los equilibrios múltiples. La reacción: () C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) K K a es la suma de las reacciones: () C (aq) + (l) Según la ley de los equilibrios múltiples, C (aq) + + (aq) K () C (aq) + (l) C (aq) K ' K a * K es decir, (Reacción ) (Reacción ) + (Reacción ) K (K ) (K ), ' * ' K K a ( K a ) ( K ) K a K a * 9.6 El cisplatino, Pt(N ) Cl, es un fármaco utilizado en quimioterapia. Se puede considerar como un complejo del ion Pt +, un ácido de Lewis, con las bases de Lewis N y Cl. Escribe la estructura de Lewis del cisplatino... :Cl: NPtN :Cl:.. 8

9.65 Una disolución, mol L - de amiduro de potasio, KN, tiene un p de. a) Escribe la ecuación química correspondiente a la reacción del ion amiduro, N, con el agua y señala, de las especies que intervienen, cuáles son ácidos y cuáles bases de Brønsted-Lowry. b) Compara la fortaleza de estos ácidos y bases. c) Algunos estudiantes escriben la ecuación de la disociación del amoníaco en agua de la forma siguiente: Por qué no es correcta? N (aq) + (l) N (aq) + + (aq) a) El amiduro de potasio es una sal soluble que se encuentra disociada totalmente: KN K + + N Concentraciones iniciales, Concentraciones finales,, A partir del p podemos calcular la concentración de iones hidróxido: p p p [ ] mol L, mol L + Como [ ] [ N ], se concluye que el ion amiduro es una base fuerte que se encuentra totalmente disociada en agua: N + N base ácido ácido base Concentraciones iniciales, Concentraciones finales,, b) El hecho de que la reacción entre el ion amiduro y el agua se encuentre totalmente desplazada hacia la derecha indica que el ion amiduro es una base más fuerte que el ion, y, consecuentemente, que el N es un ácido más débil que el. (Un equilibrio ácido-base está desplazado en el sentido en que el ácido más fuerte (con mayor K a ) sea el que ceda el protón o, alternativamente, en el sentido en que sea la base más fuerte la que capte un protón.) c) El N es el ácido conjugado del ion amiduro. Sin embargo, dado que este es una base extremadamente fuerte, el amoníaco, como ácido, es extremadamente débil. Al ser un ácido más débil que el agua, el equilibrio: N (aq) + (l) N (aq) + + (aq) está totalmente desplazado hacia la izquierda, de modo que se produce en una extensión inapreciable. No obstante, como base (a la que corresponde como ácido conjugado el ion N + ), el amoníaco es más fuerte que el agua, de manera que el equilibrio: N (aq) + (l) + N (aq) + (aq), aunque desplazado hacia la izquierda (pues el N es una base débil, K b,5 5 ), se produce en una extensión medible. Como el ion amiduro es una base más fuerte incluso que el ion, K b ( N ) > K b ( ), de modo que: K w K b ( N ) > Ka(N ) << Kw, K (N ) Es decir, la constante de acidez del amoníaco, K a (N ), es extremadamente pequeña, por lo que solo cederá un protón a bases de una fuerza extrema, todavía más fuertes que el ion amiduro, pero nunca al agua. b 8

Aplicaciones de los equilibrios ácido-base EJERCICIS PRPUESTS. alla la normalidad de las disoluciones siguientes: a) Ca(), mol L - b) N mol L - a) Para el Ca(), v, de modo que mol equivalentes, lo que nos permite escribir el factor de conversión: equivalentes Ca() mol Ca() La concentración molar dada indica que hay, moles de Ca() por litro de disolución. Por tanto,, mol Ca() equivalentes Ca() equivalentes Ca(), L disolución mol Ca() L disolución Dado que la normalidad corresponde a los equivalentes de soluto por litro de disolución, su valor es: N, equivalentes L De manera alternativa, se puede calcular la normalidad a partir de la expresión N c v. Para el Ca(), v equivalentes mol, de modo que: N, (mol L ) (equivalentes mol ), equivalentes L b) Para el N, v equivalentes mol. Por tanto, N (mol L ) (equivalentes mol ) equivalentes L. Calcula la masa de equivalente gramo de hidróxido de magnesio, Mg(). Para el Mg(), v, de modo que mol equivalentes. De la definición de equivalente gramo, resulta: mol Mg() 58,6 g equivalente Mg() 9,6 g. Para valorar, ml de Na se ha gastado 6, ml de una disolución, N de S. Calcula la normalidad de la disolución de Na. En el punto de equivalencia de una neutralización, se verifica: N a V a N b V b Si despejamos N b y sustituimos los valores dados, tenemos: N Na V V, (N) 6, (ml), (ml) a b b,8 N. Calcula la constante de equilibrio de la reacción de neutralización del ácido acético con Na. Dato. K a del C C,8 5 La ecuación de la reacción de neutralización del ácido acético con Na es: C C (aq) + (aq) C C (aq) + (l) Esta reacción es inversa a la de la hidrólisis del ion C C, que es la base conjugada del ácido acético. Por tanto, K a (CC),8 K c,8 K (C C ) K, b w 5 9 8

.5 Elige un indicador adecuado para una valoración de un ácido débil con una base fuerte en cuyo punto de equivalencia el p es 9,. Un indicador es adecuado si el cambio de color ocurre en torno al punto de equivalencia, es decir, si se verifica la siguiente condición: pk In p (punto de equivalencia) ± 9, ± El pk In debe estar, aproximadamente, entre 8, y,. Por tanto, un indicador adecuado es la fenoftaleína, cuyo pk In 9,..6 Razona si el azul de timol, que tiene un pk In de 8,9, será o no un indicador adecuado para valorar amoníaco con ácido clorhídrico. En el punto de equivalencia de la valoración de amoníaco (N ) con con ácido clorhídrico (Cl) se tiene una disolución acuosa de cloruro de amonio, cuyo p será ácido, ya que es una sal procedente de una base débil y un ácido fuerte. Por tanto, el p en el punto de equivalencia será menor que 7, por lo que el azul de timol, cuyo pk In 8,9, no es un indicador adecuado para valorar N con Cl, ya que no se cumple el requisito: pk In p (punto de equivalencia) ±.7 Dentro de la atmósfera contaminada, el ácido sulfúrico reacciona con las trazas de amoníaco presentes. Escribe la ecuación de la reacción ácido-base correspondiente. S + N (N ) S.8 Explica por qué la lluvia cuyo p es 5,6 no se cataloga como lluvia ácida. Qué puede ocasionar que el p disminuya más todavía? Incluso en ausencia completa de contaminación, el agua de lluvia es ligeramente ácida, con un p próximo a 5,6, debido a la presencia de ácido carbónico, un ácido débil formado por disolución del C atmosférico: C (g) C (aq) C (aq) + (l) C (aq) C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) Una disminución del p puede ocasionar daños en materiales de construcción, como piedra caliza o mármol, así como acabar con la vida de los peces que habitan los lagos.?.9 Una disolución reguladora NaC /Na C tiene un p de 9,. Cuál es la relación [C ] [C ] K a ( C ),7 La constante de acidez del ion viene dada por la expresión: C, correspondiente al equilibrio: C (aq) + (l) K a C (aq) + + (aq) + [C ] [ ] [C ] Si en la ecuación anterior despejamos y sustituimos los valores, se obtiene: eq [C ] [C eq ] eq [ ] K a + p K a 9,,7 8,5 8

. Cuántos moles de NaC deben añadirse a litro de una disolución,5 mol L - de Na C para obtener el p 9,? El p de una disolución reguladora formada por un ácido débil (A) y su base conjugada (A ) viene dada por la ecuación aproximada: donde pk a log K a (A) [A ] p pka + log [A] in in El NaC y el Na C son sales que se disocian totalmente dando iones Na + y C, la primera, e iones Na + y C, la segunda. Se trata, pues, de una disolución reguladora en la que el ácido (A) es el ion C ; y su base conjugada (A ), el ion C. Por tanto, la ecuación anterior para el sistema C / C se escribe: o, lo que es lo mismo, p pk p pk a a ] o [C + log [C [C log [C ] o ] o ] o Si en la ecuación anterior despejamos la concentración de iones C, resulta: [C [C ] o ] o p pka p K a [C ] o [C ] o K p a Al sustituir los valores, obtenemos: Los moles de [C p 9, ] o [C ] o (,5 mol L ),9 mol L K a,7 C en el litro de la disolución dada son: ( L),9 ( mol C ) ( L),9 mol C Dado que cada mol de NaC forma un mol de C al disociarse, se deben añadir,9 mol de NaC a un litro de disolución,5 mol de Na C para obtener un p de 9,. [. Calcula la razón P ] [ P ] en un fluido intracelular a un p de 7, (pk a del La constante de acidez del ion viene dada por la expresión: P, correspondiente al equilibrio: P (aq) + (l) P (aq) + + (aq) P 6,8). K a + [P ] [ ] [P ] eq Si en la ecuación anterior despejamos y sustituimos los valores, obtenemos: [P [ P ] eq ] eq K a + [ ] pka p 6,8 7,,5 8

. Razona cómo afecta a la relación [ P ] [P ] la producción de ácido láctico durante una sesión de ejercicio físico. El ácido láctico producido durante el ejercicio aumenta la concentración de iones hidronio, ya que es un ácido de Brønsted-Lowry que se disocia en agua según la ecuación: Lac (aq) + (l) Lac (aq) + + (aq) La fórmula del ácido láctico aparece representada, abreviadamente, por Lac. De acuerdo con el principio de Le Châtelier, el aumento de la concentración de iones + desplaza hacia la izquierda el siguiente equilibrio: P (aq) + (l) P (aq) + + (aq) debido a que, en ese sentido, se consumen iones +, lo que contrarresta, parcialmente, los aportados por el ácido láctico. En consecuencia, la producción de ácido láctico aumenta la concentración de P y disminuye la de P. Por tanto, la relación P ] [ P ] disminuye. [. Compara la fuerza ácida del ácido nítrico, N, con la del ácido nitroso, N. Entre los oxoácidos que tienen el mismo átomo central pero diferente número de grupos asociados a él, la fuerza se incrementa a medida que aumenta el número de átomos de oxígeno unidos al átomo central (es decir, a medida que aumenta el número de oxidación del átomo central). En consecuencia, el ácido nítrico (N ) tiene una fuerza ácida mayor que la del ácido nitroso (N ): K a (N ) > K a (N ). Cuál de los siguientes ácidos es más débil: P o P? Dado que los dos ácidos poseen el mismo átomo central, P será el más fuerte, ya que el fósforo está unido a un mayor número de átomos de oxígeno y, por tanto, su número de oxidación es mayor. Esto hace que el P tenga un enlace más polar que el del P y que, en consecuencia, se ionice más fácilmente. Por tanto, el P es el más débil de los dos. EJERCICIS Y PRBLEMAS EQUIVALENTE GRAM. REACCINES DE NEUTRALIZACIÓN.5 El nivel de acidez de la Coca-Cola, necesario para que su sabor sea refrescante, se debía originalmente al ácido cítrico, pero pronto fue reemplazado por el ácido fosfórico, más barato. Determina el valor de un equivalente gramo de ácido fosfórico en la reacción: P (aq) + Na Na P (aq) + (l) Para el P, v, ya que cede + por molécula, por lo que: mol equivalentes. Por tanto: equivalente P mol P 97,99 g,66 g.6 El monohidrógenofosfato de calcio, CaP, se utiliza como abrasivo en los dentífricos. Escribe una ecuación ajustada correspondiente a una posible preparación de esta sal y calcula el equivalente gramo de los reactivos en la reacción. Ca() (s) + P CaP (s) + (l) En esta reacción, para el Ca(), v, ya que acepta + por molécula, mientras que para el P, v, ya que cede + por molécula. Por tanto: equivalente Ca() molca() 7,96 g 7,8 g mol P 97,99 g equivalente P 9, g Es importante advertir que el valor del equivalente gramo de una sustancia puede variar de una reacción a otra. 85

.7 El esmalte dental está formado por una sustancia denominada hidroxiapatito, Ca (P ) Ca(). Los ácidos débiles formados por las bacterias de la boca disuelven el hidroxiapatito según la ecuación iónica: Ca (P ) Ca() (s) + 8 + (aq) Ca + (aq)+ 6 Calcula el equivalente gramo del hidroxiapatito en esta reacción. P (aq) + (l) Para el Ca (P ) Ca(), es decir, Ca (P ) 6 (), v 8, ya que acepta 8 + por cada unidad fórmula. Por tanto, mol Ca(P ) Ca() equivalente Ca (P ) Ca() 8,6 g 8 5,58 g.8 La acidez del zumo de limón se debe a la presencia de entre un 5% y un 8% de ácido cítrico, un ácido débil cuya fórmula molecular es C 6 8 7. Para la neutralización de, g de una muestra de ácido cítrico se gastaron,6 ml de una disolución,5 mol L - de Na. a) Determina el valor del equivalente gramo del ácido cítrico en esta reacción de neutralización. b) Cuántos hidrógenos ácidos posee el ácido cítrico? c) Escribe la ecuación iónica neta ajustada de la reacción de neutralización. a) Para el Na, v, de modo que los equivalentes de Na que ha reaccionado son: L,5 mol Na 6, ml ml L equivalente Na mol Na 6,58 equivalentes Na Como la reacción de neutralización ocurre equivalente a equivalente, la muestra dada, de, g de ácido cítrico, contiene 6,58 equivalentes de ácido. Por tanto,, g, g 6,58 equivalentes equivalente 6,58 6, g b) Dada la relación entre equivalente gramo y mol, para el ácido cítrico (C 6 8 7 ), cuya masa molar es de 9, g mol, en esta neutralización tenemos: mol mol 9, g equivalente v v equivalente 6, g Por tanto, el ácido cítrico posee hidrógenos ácidos (ya que cede + por molécula). c) C 6 8 7 (aq) + (aq) 657 C (aq) + (l).9 Supón que tienes un recipiente de g de desatascador de cañerías, formado por hidróxido de sodio en su mayor parte, del que quieres deshacerte por reacción con vinagre. Sabiendo que el vinagre es una disolución,9 mol L - de ácido acético: a) Escribe la ecuación ajustada de la reacción. b) Cuál es el volumen mínimo de vinagre que se necesita para reaccionar con la masa dada del desatascador? a) La ecuación de la reacción de neutralización del ácido acético con Na es: C C (aq) + Na (aq) NaC C (aq) + (l) b) Se trata de calcular el volumen de la disolución de un reactivo B que reacciona con una masa dada de otro reactivo A siguiendo el esquema: masa molar A masa A moles A ( g Na) ( mol Na) ( g Na), coeficientes ecuación moles B ( mol C C) ( mol Na),96 concentración disoluciónb molar volumen disoluc. B ( L disolución) ( mol C C) L disolución 86

. El cohete espacial Challenger estalló en vuelo el 8 de enero de 986. Las cintas de las grabadoras que había en la cabina de tripulación se encontraron 6 semanas después a m bajo el agua, recubiertas de Mg(), formado por reacción del magnesio usado en el riel de la cinta con el agua del mar. Para rescatar las grabaciones, los científicos eliminaron el Mg() con una disolución de ácido nítrico. a) Escribe la ecuación de la reacción de neutralización. b) Qué volumen de N, mol L - se necesita por cada gramo de Mg()? a) N (aq) + Mg() (s) Mg(N ) (aq) + (l) b) Calculamos el volumen de la disolución de un reactivo que reacciona con una masa dada de otro reactivo: (molmg() ) 58,(gMg() ) (moln (L disolución),(moln ) ( gmg() ),L disolución (molmg() Se necesitan, pues, ml de la disolución dada de ácido nítrico por cada gramo de Mg(). (Se supone gramo exacto, de modo que este dato no limita el número de cifras significativas del resultado.) ). Un refresco artificial de frutas contiene, g de ácido tartárico, C 6 (ácido diprótico), para conseguir un sabor ácido refrescante. Se valora con una disolución básica que tiene una densidad de,5 g ml y contiene un 5,% en masa de K. Qué volumen de la disolución básica se necesita? Dado que el ácido tartárico ( C 6 ) cede + por molécula, mientras que el K solo acepta, la reacción de neutralización se produce en la relación: mol de C 6 por cada moles de K: C 6 (aq) + K (aq) K C 6 (aq) + (l) Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, obtenemos:, 7 ml ( g C ) ( mol C6 ) ( g C ) ( mol K) ( mol C ) ( g K) ( mol K) ( g disolución) ( g K) 56, 6 5, 6 6 5,,5 ( ml disolución) ( g disolución). Se ha derramado un poco de ácido clorhídrico en el suelo del laboratorio. La mancha se espolvorea con hidrógenocarbonato de sodio para neutralizar el ácido. La ecuación iónica ajustada de la reacción que tiene lugar es: NaC (aq) + + (aq) Na + (aq) + C (g) + (l) Si se derramaron 75 ml de una disolución, mol L - de Cl, cuál es la cantidad mínima de NaC con la que debe espolvorearse la mancha para neutralizar el ácido? Teniendo en cuenta que cada mol de ácido clorhídrico (Cl) produce un mol de iones hidronio ( + ), obtenemos: ( mol Cl) ( L) + ( mol ) ( mol NaC ) ( mol ) + ( mol Cl) ( g NaC ) ( mol NaC ), 8,,75 ( L) 9 g NaC El dato de 75 ml limita el resultado a solo dos cifras significativas.. La leche de magnesia contiene,8 g de Mg() por ml y es eficaz contra la acidez de estómago. Calcula el volumen de una disolución,5 mol L - de Cl (una concentración de ácido típica en la parte superior del estómago) necesario para que reaccione con dos cucharadas (aproximadamente ml) de leche de magnesia. La ecuación de la reacción de neutralización que tiene lugar es. Cl (aq) + Mg() (s) MgCl (aq) + (l) De acuerdo con la estequiometría de esta reacción, resulta: ( ml),8 ( g Mg() ) ( ml) ( mol Mg() ) ( g Mg() ) 58, ( mol Cl) ( mol Mg() ) ( L disolución) ( mol Cl),5,78 L disolución 87

. El vinagre es una disolución diluida de ácido acético. Durante la valoración de 5, ml de vinagre, se gastaron 7,7 ml de una disolución,5 mol L - de hidróxido de sodio para neutralizarlo hasta el punto final de la fenoftaleína. Calcula la concentración molar y el porcentaje en masa de ácido acético en el vinagre, si su d,7 g ml. Para el hidróxido de sodio, v. Por tanto, su normalidad viene dada por el mismo número que su molaridad: ( mol Na) ( L disolución),5 En el punto de equivalencia, ( equivalente Na),5 ( mol Na) disolución equivalentes Na L Si despejamos la normalidad del ácido, obtenemos: N Nb V V,5 N a V a N b V b ( equivalentes L ) 7,7 ( ml) b a a 5, equivalentes,79 ( ml) L Para el ácido acético, también v. Por tanto, el valor de su normalidad coincide con el de su molaridad: ( equivalentes C C) ( L disolución) ( mol CC) mol,79 ( equivalente C C) L disolución,79 CC Se trata de calcular los gramos de ácido acético por cada g de vinagre. Dado que hay,79 moles de ácido acético por cada litro de vinagre, obtenemos: ( ml vinagre) ( g vinagre) ( L) ( ml) ( mol CC) ( L vinagre) ( g CC) ( mol C C),79 6,6 ( g vinagre),7 g CC,7 Por tanto, el porcentaje en masa de ácido acético en el vinagre es del,7%..5 Una química sintetiza una sustancia que ella cree que es ácido barbitúrico (M 8, g mol ), un precursor en la síntesis de muchos somníferos. El ácido barbitúrico es un ácido monoprótico con K a 9,8 5. Para ayudar a la identificación, valora una muestra cristalina de,5 g con Na, mol L - y encuentra que en el punto de equivalencia ha añadido 9, ml de la base. Es probable que se trate de ácido barbitúrico? La reacción de neutralización ocurre mol a mol, ya que el ácido barbitúrico (al tratarse de un ácido monoprótico) cede mol de + por mol, mientras que el hidróxido de sodio acepta mol de + por mol. Por tanto, en el punto de equivalencia, moles de ácido moles de base (, mol L ) (,9L),9 mol En consecuencia, la masa molar del ácido valorado es:,5,9 ( g) g 8 ( mol) mol Dado que la masa molar de la muestra es muy próxima a la del ácido barbitúrico, el material bien podría ser ácido barbitúrico. Se necesitarían evidencias adicionales, tales como el punto de fusión o un espectro de infrarrojo para confirmar, definitivamente, la identificación de la muestra dada con el ácido barbitúrico. 88

.6 La piridina, C 5 5 N, es una base orgánica débil. A pesar de su olor, francamente desagradable, se utiliza mucho para la síntesis de otros compuestos. Si se disuelven,8 g de piridina en, ml de agua y se valora con una disolución, mol L - de Cl: a) Cuál es el p en el punto de equivalencia? b) Calcula las concentraciones de todas las especies presentes en el punto de equivalencia. Dato: K b,5 9. (mol) a) Los moles de piridina (C 5 5 N) que se valoran son:,8 (g),8 mol 79,(g) La ecuación de la reacción de neutralización que tiene lugar es: C 5 5 N (aq) + Cl (s) C 5 5 N + Cl (aq) Como la reacción de neutralización de una base con un ácido débil es casi completa, en el punto de equivalencia habrán reaccionado,8 moles de C 5 5 N con,8 moles de ácido clorhídrico (Cl), y se habrán formado,8 moles de hidrocloruro de piridina (C 5 5 N + Cl ). Suponiendo los volúmenes aditivos, la concentración de C 5 5 N + Cl en la disolución final, en el punto de equivalencia, es:,8 (mol), mol L, (L) El C 5 5 N + Cl es una sal soluble que se disocia en agua totalmente: C 5 5 N + Cl C 5 5 N + + Cl Concentraciones iniciales (M), Concentraciones finales (M),, El ion Cl no sufre hidrólisis, ya que es la base conjugada de un ácido fuerte. Por el contrario, el ion C 5 5 N + experimenta hidrólisis ácida, al tratarse del ácido conjugado de la piridina, una base débil. Si llamamos x a los moles L de C 5 5 N + que se hidrolizan (y despreciando los iones + producidos en la autoionización del agua frente a los que produce la hidrólisis del ion C 5 5 N + ), tenemos: C 5 5 N + + C 5 5 N + + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Calculamos la constante de acidez (K a ) del C 5 5 N + a partir de la constante de basicidad (K b ) de la C 5 5 N: K + KW, 6 a(c55n ) 6,7 9 Kb(C55N),5 Sustituyendo los valores de las concentraciones de equilibrio en la expresión de la K a y despejando x: K a + [ C55N] [ ] + [ C N ] 5 5 eq x x 6,7, x 6 x 5, mol L Por tanto, el p de la disolución es: p log [ + ] log (5, ),8. bsérvese que resulta un p ácido, como corresponde a la disolución de una sal de ácido fuerte y base débil. b) Si sustituimos el valor hallado de x, las concentraciones de equilibrio son: [Cl ], mol L [C 5 5 N + ] (, 5, ) mol L,9 mol L [C 5 5 N] [ + ] 5, mol L [ ] K + [ ] W, 5,,9 mol L 89

INDICADRES ÁCID-BASE.7 Los dos vasos de precipitados de la fotografía contienen la misma disolución. Al vaso de la izquierda se ha añadido verde de bromocresol, y al de la derecha, fenoftaleína. a) Cuál es el p aproximado de la disolución? b) Cómo se podría determinar el p con mayor exactitud? a) El verde de bromocresol tiene un rango de cambio de color de p a,8. Su forma ácida es verde, mientras que su forma básica es azul. Por su parte, la fenoftaleína tiene un rango de cambio de color, aproximadamente, de p 8 a, siendo incolora su forma ácida y rosa su forma básica. Por tanto, el p de la disolución se encuentra entre los valores 5,8 < p < 8, ya que en dicha disolución el verde de bromocresol muestra color azul (lo que indica p > 5,8), mientras que la fenoftaleína es incolora (lo que implica p < 8). b) Para determinar el p con más exactitud utilizaríamos un p-metro..8 Se investiga la acidez de una muestra de agua de lluvia utilizando dos indicadores. La adición de naranja de metilo a la mitad de la muestra da un color amarillo, y la adición de rojo de metilo a la otra mitad da un color rojo. Estima el p de la muestra. El naranja de metilo tiene un rango de cambio de color de p, a,. Su forma ácida es roja, y su forma básica, amarilla. Por su parte, el rojo de metilo tiene un rango de cambio de color, aproximadamente, de p,8 a 6,, siendo roja su forma ácida y amarilla su forma básica. Por tanto, el p de la disolución se encuentra entre los valores, < p <,8, ya que en dicha disolución el naranja de metilo muestra color amarillo (p >,), mientras que el rojo de metilo tiene color rojo (p <,8)..9 La fenoftaleína es el indicador más empleado para valorar un ácido fuerte con una base fuerte. También se utiliza como laxante suave e, incluso, para escribir mensajes secretos. a) Si el pk In de la fenoftaleína es 9,, cuál es la relación entre la forma no ionizada del indicador (incolora) y la forma ionizada (rosa rojizo) a p de 8,? b) Si en la valoración de un volumen de 5, ml se utilizan dos gotas de fenoftaleína,6 mol L -, cuál es la concentración de la forma coloreada a un p de 8,? Supón que gota,5 ml. a) Si llamamos In a la forma no ionizada (incolora) y In a su base conjugada, es decir, a la forma ionizada (rosa), la ecuación del equilibrio entre dichas formas es: In (aq) + (l) In (aq) + + (aq) Forma ácida Forma básica La expresión de la constante de acidez de In, denotada K In, es: [In ] [ ] KIn [In] Al despejar la relación pedida y sustituir los valores, obtenemos: + [In ] [ [In ] K In + ] p pkin 8, 9,,6 9

b) Los moles totales de fenoftaleína son: n o, (L),6 (mol L ) 6, 6 mol. De acuerdo con la estequiometría de la disociación de la fenoftaleína: In + In + + Moles iniciales n Cambio en el n.º de moles x + x Moles en el equilibrio n x x El número de moles totales, correspondientes a las dos formas es igual al número de moles iniciales, ya que la disminución en el número de moles de In es igual al aumento del número de moles de In : n (In) + n (In ) (n x) + x n 6, 6 mol Suponiendo los volúmenes aditivos, la concentración total de fenoftaleína es: 6 6, [In] + [In ],5 ( mol) ( L), mol L Puesto que, a p 8, [In] / [In ],6, tenemos un sistema, que al resolverlo resulta: [, 6 ] + [In ], [In ] 8,8 mol L In],6 [In ] [In] + [In ],,6 [In mol L,6. Cuando se exprime zumo de limón en el té, este adquiere un color más tenue. El cambio de color se debe, en parte, a la dilución, pero la razón principal es que se produce una reacción ácido-base. Cuál es esta reacción? (Sugerencia: el té contiene polifenoles, que son ácidos débiles, y el zumo de limón contiene ácido cítrico.) Los fenoles ionizados (forma básica) tienen un color oscuro. Los iones + producidos por el zumo de limón desplazan el equilibrio de ionización ácido-base de Brønsted-Lowry hacia la forma ácida (la forma protonada no ionizada), que es de color claro. DISLUCINES REGULADRAS. El ácido láctico, C 6, es un ácido orgánico débil que se encuentra en la leche cortada. También es un producto del metabolismo de los hidratos de carbono y se encuentra en la sangre después de realizar una actividad muscular intensa. Calcula el p de la disolución reguladora que se obtiene disolviendo, mol de ácido láctico, Lac (K a, ), y, mol de lactato de sodio, NaLac, en agua suficiente para obtener 55 ml de disolución. El p de una disolución reguladora formada por un ácido débil (A) y su base conjugada (A ) viene dada por la ecuación aproximada: ] in [A p pka + log, [A] in donde pk a log K a (A). Teniendo en cuenta que el cociente de concentraciones es igual al cociente del número de moles, la ecuación anterior puede escribirse como: p pk a [A ] + log [A] in in pk a n + log n o o (A ) (A) Si en esta ecuación sustituimos los valores, teniendo en cuenta que el, mol de lactato de sodio se disocia totalmente produciendo, mol de ion lactato (Lac ), el p de la disolución reguladora dada resulta: no (Lac ), mol p pka + log log (, ) + log n (Lac), mol o Se observa que, cuando la concentración del A es igual a la de su base conjugada, el p de la disolución reguladora es igual al pk a del A., 85 9

. Se prepara una disolución reguladora añadiendo 5,5 g de cloruro de amonio y,88 mol de amoníaco en agua suficiente para obtener 55 ml de disolución. a) Cuál es el p de la disolución reguladora? b) Si se añade agua hasta doblar el volumen de la disolución, cuál es el p de la disolución diluida? Dato. K b (N ),8 5 (mol) a) Los moles de cloruro de amonio añadidos son: 5,5 (g), mol 5,9 (g) El p de una disolución reguladora formada por un ácido débil (A) y su base conjugada (A ) viene dada por la ecuación aproximada: [A ] in p pka + log [A] in no (A ) pka + log n (A) o En el caso de la disolución dada, el ácido es el ion amonio ( N ), y la base, el amoníaco (N ). Por tanto, el valor del pk a es: + KW, Ka (N ) 5,6 pka log (5,6 ) 9,5 5 Kb (N ),8 Si sustituimos los valores, teniendo en cuenta que los, moles de cloruro de amonio se disocian totalmente produciendo un, moles de iones amonio, el p de la disolución reguladora dada resulta: p pk + no (N ),88 + log 9,5 + log + n (N ), o ( mol) ( mol) a b) La dilución cambia las concentraciones de ion amonio y de amoníaco en la misma medida (en este caso, las concentraciones de ambas especies se reducen a la mitad), de modo que no afecta al valor del p. Se debe tener en cuenta que el p de la disolución reguladora viene dada por: p pk a no (N ) + log + n (N ) y que la dilución con disolvente no afecta al valor de pk a ni al nº. de moles iniciales de N ni de o 8,5 + N.. El sabor de las manzanas verdes se debe al ácido málico, C 5, del que contienen un %, que en su mayor parte desaparece cuando la fruta madura. Se trata de un ácido diprótico con las constantes de disociación K a, y K a 9, 6. Para preparar una disolución amortiguadora de p 5,, cuál de las combinaciones siguientes escogerías? NaC 5 / C 5 o Na C 5 / NaC 5 Para diseñar un sistema amortiguador a un p determinado partir de un ácido débil (A) y su base conjugada (A ), también débil, utilizamos la expresión que relaciona el p con el pk a : ] in [A p pka + log, [A] donde pk a corresponde al A. En un sistema amortiguador óptimo, las concentraciones de A y de A deben ser lo más parecidas posible. De acuerdo con la ecuación anterior, si [A] [A ] entonces p pk a. Por ello, debe elegirse un sistema cuyo ácido tenga un valor de pk a lo más próximo posible al valor del p deseado. Los valores del pk a para el ácido málico ( C 5 ) y para el ion hidrógeno malato ( C ) son, pk pk a (C ) log Ka log (, ) 6 a (C ) log Ka log (9, ) in, 5,5 5 Por tanto, el sistema C5 / C5 es el más indicado para mantener el p próximo a 5,. Dichos iones pueden obtenerse disolviendo la mezcla, NaC 5 /Na C 5, ya que ambas son sales solubles que se ionizan totalmente produciendo, respectivamente, iones C e iones C (su base conjugada). 5 5 9

. Las sales del ácido propiónico, C C C, se añaden a los alimentos horneados para impedir el crecimiento de mohos y retrasar su descomposición. Cuántos gramos de propionato de sodio deben añadirse a ml de ácido propiónico, mol L - para preparar una disolución amortiguadora con un p de,5? La constante de disociación del ácido propiónico es K a, 5. El p de una disolución reguladora formada por un ácido débil (A) y su base conjugada (A ), también débil, viene dada por la ecuación aproximada: donde pk a log K a (A). [A ] in p pka + log, [A] Para el sistema C C C/C C C, la ecuación anterior queda: in ] in [CCC p pka + log [C C C] Si despejamos la concentración inicial de ion propionato en la ecuación anterior, obtenemos: in [C C C ] [C C C] in in ( ppk ) a ( p ) K a in [C C C ] [C C C] in ( p ) K a Al sustituir los valores, resulta: [C C C ] in [C C C] in ( p ) K a,,5 5 ( mol L ),,8 moll Para obtener una concentración de,8 mol L de iones (C C C ), dado que el NaC C C se disocia totalmente (produciendo mol de ion propionato por cada mol de propionato de sodio), la concentración inicial de NaC C C debe ser de,8 mol L. Para obtener esta concentración, los gramos de propionato de sodio que deben disolverse en los ml de disolución vienen dados por el siguiente cálculo:,8 (mol) 96,6 (g), (L), g (L) (mol) 9

.5 Tris es una abreviatura de tris(hidroximetil) aminometano, una base débil muy utilizada en la investigación bioquímica. Su baja toxicidad y su pk b 5,9 a 5 ºC explican su utilidad en el control del p en aplicaciones clínicas. Calcula el p de una disolución reguladora preparada mezclando,5 mol de Tris con,5 mol de Cl en un volumen de, L. La fórmula del tris(hidroximetil) aminometano la representaremos, abreviadamente, como Tris, y la de su ácido conjugado, por Tris +. El ácido clorhídrico (Cl) es un ácido fuerte y reacciona con el tris(hidroximetil) aminometano, una base débil, según la ecuación irreversible: Cl (aq) + Tris (aq) Cl (aq) + Tris + (aq) Moles iniciales,5,5 Moles en equilibrio,5,5,5 Por tanto, la disolución resultante contiene,5 moles de tris(hidroximetil) aminometano y,5 moles de su ácido conjugado, de modo que se trata de una disolución reguladora. El p de una disolución reguladora formada por un ácido débil (A) y su base conjugada (A ) viene dada por la ecuación aproximada: no (A ) p pka + log, n (A) donde K a es la constante de acidez del A, que no tiene por qué ser, necesariamente, una especie neutra, ni su base conjugada, un anión mononegativo. Aplicando la ecuación anterior al sistema Tris + /Tris (en el que el ácido es la especie Tris +, mientras que su base conjugada es Tris), tenemos: o p pk a no (Tris) + log + n (Tris ) o El pk a del Tris + puede calcularse a partir del pk b del Tris, su base conjugada. En efecto, teniendo en cuenta la relación entre la constante de acidez (K a ) de un ácido cualquiera y la constante de basicidad (K b ) de su base conjugada, tenemos: K (Tris ) K + w a, K (Tris) donde K w es el producto iónico de agua. Tomando logaritmos cambiados de signo, resulta: b log K (Tris ) log K a + w + log K (Tris) b pk (Tris ) pk a + w pk (Tris) b Si sustituimos los valores, el pk a del Tris + es: + pka (Tris ) pk w pkb(tris), 5,9 8,8 Finalmente, si llevamos todos los valores calculados a la ecuación del p arriba indicada, obtenemos: p pk no (Tris),5 + log 8,8 + log + n (Tris ),5 o ( mol) ( mol) a Se observa que, como el número de moles de ácido es igual al de su base conjugada, el valor del p es igual al pk a del ácido. El volumen es irrelevante para el cálculo del p (aunque cuanto mayor sea el volumen, menor será las concentraciones del ácido y de su base conjugada, y menor será la capacidad reguladora del p frente a la adición de ácidos y bases). 8,8 9

.6 A la temperatura del cuerpo, 7 ºC, la K a del ácido carbónico se puede tomar como 8, 7 si se supone que todo el C disuelto se encuentra en forma de C. a) Con esta suposición, calcula la razón C / C en el plasma sanguíneo a un p de 7,. b) Razona si este sistema amortiguador es más eficaz frente a la adición de ácidos o de bases. a) La constante de acidez del ácido carbónico ( C ) correspondiente al equilibrio: viene dada por la expresión: C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) y + [C ] [ ] Ka [C] Al despejar y sustituir los valores en la ecuación anterior, obtenemos: eq [C [ C ] ] eq eq Ka + [ ] K a p 8, 7, 7 Dado que se ha tomado K a (ácido carbónico) 8, 7, que corresponde al equilibrio C (aq) + (l) C (aq) + + (aq), la relación hallada corresponde a [ C ] / [C (aq)]. b) Cuando se forman iones +, estos reaccionan con los iones hidrogenocarbonato y forman ácido carbónico. Cuando se forman iones - en la sangre, el sistema carbonato los neutraliza por medio de la reacción con el ácido carbónico..7 El valor K a 8, 7 (a 7 ºC) dado en el ejercicio anterior, corresponde al equilibrio: C (aq) + (l) C (aq) + + (aq) Teniendo en cuenta que la presión parcial de C en lo alvéolos pulmonares es de mmg, y que el equilibrio es: C (g) C (aq) K,8 mol L - atm (7 ºC) Calcula la concentración de C y de C (aq) en el plasma sanguíneo a un p de 7,. Para el equilibrio heterogéneo: C (g) C (aq), la expresión de la constante de equilibrio es: [ C(aq) ] K pc (g) Al despejar la concentración de C (aq) y sustituir los valores dados, se tiene para el plasma sanguíneo: [C Para el equilibrio: eq ( mol L atm ) ( mmg) 76 ( atm) ( mmg) (aq)] eq K pc (eq),8, mol L C (aq) + (l) la constante de equilibrio viene dada por la expresión: K a C (aq) + + (aq), + [ C ] [ ] [ C(aq) ] eq Al despejar la concentración de ion hidrógeno carbonato y sustituir los valores, obtenemos: 7 Ka [C(aq)] (8, ) (,) [ C ], mol eq L + 7, [ ] 95

.8 tro sistema amortiguador importante en los fluidos corporales es ion hidrógenofosfato / ion dihidrógeno fosfato. a) Considera la sangre con un p 7,; cuál es la proporción [ P ] [P ]? b) Cuál será el p si el 5% de los iones hidrógenofosfato se convierten en iones dihidrógenofosfato? Dato. K a ( P ) 6, -8. a) La constante de acidez del ion dihidrógeno fosfato ( P ), correspondiente al equilibrio: viene dada por la expresión: P (aq) + (l) P (aq) + + (aq), K [P ] a [P] + [ ] eq, donde K a es la constante de acidez del ion P, es decir, la constante de acidez correspondiente a la segunda ionización del ácido fosfórico. Al despejar y sustituir los valores en la ecuación anterior, obtenemos: [P] [P ] [ + ] K p 7, eq 8 eq a Ka 6,,59 b) Si designamos [P ] y [ P ] a las concentraciones de P y P, respectivamente, en la disolución inicial de p 7,, de acuerdo con el resultado anterior, tenemos: P [ ],59 [ P ] Las concentraciones en la nueva disolución son: [ P ] [ P ],5 [ P ],75 [ P ] [ P ] [ P ] +,5 [ P ],59 [ P ] +,5 [ P ],8 [ P ] Si despejamos la concentración de iones hidronio de la expresión de la constante de equilibrio del ion, y sustituimos los valores de las concentraciones de la disolución final, obtenemos: P K a [P [ ] [ P ] + ] eq [ + [ P ] 8,8 [P ] o 8,8 8 ] K a 6, 6, 6,9 [P,75 ],75 [P ] o El valor del p es: p log [ + ] log (6,9 8 ) 7,6 96

LA LLUVIA ÁCIDA.9 La cal viva (Ca) se utiliza para neutralizar el agua en los lagos que se han vuelto muy ácidos debido a la lluvia ácida. a) Supón que la acidez se debe al ácido sulfúrico y escribe la ecuación de la reacción de neutralización. b) Calcula cuántas toneladas de cal viva se necesitan para neutralizar toneladas de ácido sulfúrico. a) Ca (s) + S (aq) CaS (aq) + (l) b) De acuerdo con la estequiometría de la reacción de neutralización, tenemos: ( mol S ) ( g S ) ( mol Ca) ( mol S ) ( g Ca) ( mol Ca) 6 56,8 ( g S ) 6 98,86 () t ( g) 5,7 t Ca. Los lagos tienen una capacidad natural para mantener el p, especialmente en regiones donde la roca es caliza, formada, esencialmente, por CaC. a) Escribe la ecuación para el efecto de una pequeña cantidad de lluvia ácida debida a la presencia de S en un lago que contiene iones C. b) Discute cómo resistirá el lago futuros cambios de p. c) Qué ocurrirá si se deposita un gran exceso de lluvia ácida? a) Dado su carácter básico, Los iones carbonato reaccionarán con el ácido sulfúrico en un proceso ácido-base de Brønted-Lowry, según la ecuación: C (aq) + S (aq) C (aq) + S (aq) Los iones S, cuya constante de acidez es relativamente grande, reaccionarán con los iones carbonato, en exceso, según la ecuación: C (aq) + La ecuación de la reacción global es: S (aq) C (aq) + S (aq) C C (aq) + C (aq) + S (aq) b) La transformación de parte del exceso de iones en iones sulfúrico, reseñada en el apartado a), da lugar a un sistema C / C reguladora del p. S (aq) C, debido a la reacción con el ácido, que actúa como una mezcla c) Un exceso de ácido sulfúrico acaba transformando todo el sistema ( C ) debido a las reacciones: C / C en ácido carbónico C (aq) + S (aq) C (aq) + S (aq) C (aq) + S (aq) C (aq) + Por tanto, el sistema pierde su capacidad para resistir los cambios de p. S (aq) 97

. El de abril de 97, en Pitlochny, Escocia, se midió un valor del p del agua de lluvia de,. a) Calcula la concentración de iones + en dicha agua. b) Compara el valor anterior con la concentración de iones hidronio que hay en una disolución, mol L - de ácido acético (K a,8 5 ). a) p log [ + ], [ + ], mol L b) Si llamamos x a los moles L de ácido acético que se ionizan, tenemos: C C + C C + + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x Se han despreciado los iones + procedentes de la autoionización del agua, ya que son muy pocos comparados con los que origina la ionización del ácido acético. Al sustituir las concentraciones de equilibrio en la expresión de la constante de acidez, y despejando, obtenemos: + [ C C ][ ] x x 5 K a,8 x, [ CC], x eq Por tanto, la concentración de iones hidronio en una disolución, mol L de ácido acético es: [ + ], mol L, es decir, menor que la concentración medida en el agua recogida en Pitlochny en la fecha señalada.. La concentración de S en cierta región de la troposfera es de,6 ppm (partes por millón) en volumen. El gas se disuelve en el agua de lluvia según la reacción: S (g) + (l) S (aq) + + (aq) Sabiendo que la constante de equilibrio para esta reacción es, mol L atm, calcula el p del agua de lluvia y señala las suposiciones que has hecho. La constante de equilibrio (K) para el equilibrio heterogéneo dado viene dada por la expresión: K [ S ] p S + [ ] (g) La fracción molar de S en el aire de la región de la troposfera dada es: χ eq moles S,6,6 moles totales 6 La presión parcial de S en el aire resulta: p (S ) χ p T (,6 7 ) ( atm),6 7 atm Si llamamos x a los moles L de S que se disocian en el agua de lluvia, tenemos: S (g) + (l) S (aq) + + Concentración inicial ([ ] ) Cambio en la concentración (Δ[ ]) +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ) x x Al sustituir los valores en la expresión de la constante de equilibrio y despejando x, obtenemos: K [ S ] p S + [ ] (g) eq x,6 7 x ( atm ), El valor del p resulta: p log [ + ] log (,56 5 ), 7 7 5 ( mol L atm ),6 ( atm),56 mol L Para el cálculo del p se han despreciado los iones hidronio procedentes de la ionización del se originan a partir del C atmosférico según la reacción: C (aq) + (l) S y los que C (aq) + + (aq) 98

PRBLEMAS DE SÍNTESIS. El p de la sangre se mantiene mediante un sistema complejo, en el que desempeña un papel muy importante el equilibrio: C (g) + (l) C (aq) + + (aq) a) Durante el ejercicio, se produce C a una velocidad acelerada en el tejido muscular. Cómo afecta el ejercicio intenso al p de la sangre? b) Durante un ataque de histeria, puede producirse hiperventilación (respiración rápida y profunda). Cómo afecta esto al p de la sangre? c) El tratamiento de primeros auxilios para la hiperventilación es hacer respirar al paciente en una bolsa de papel. Explica el fundamento de esta medida. a) De acuerdo con el principio de Le Châtelier, el aumento en la concentración de dióxido de carbono (C ), producido durante el ejercicio, desplaza el equilibrio C (g) + (l) C (aq) + + (aq) hacia la derecha, ya que así se consume parte del C producido. En consecuencia, aumenta la concentración de iones + y el p de la sangre disminuye (acidosis). b) La hiperventilación, al aumentar el ritmo de eliminación de C, hace que disminuya la concentración del mismo en la sangre. En consecuencia, de acuerdo con el principio de Le Châtelier, el equilibrio dado se desplaza hacia la izquierda (para producir C que compense parte del eliminado) y, por tanto, disminuye la concentración de ion hidrógeno carbonato [ C (aq)], lo que supone un aumento del p de la sangre (alcalosis). Al utilizar una bolsa para respirar el aire exhalado, rico en C, aumenta la concentración de este en la sangre, lo que se traduce en un desplazamiento del equilibrio ahora hacia la derecha que restablece la cantidad de iones + (aq) a niveles normales. Esto evita la posible alcalosis originada por la hiperventilación.. Una estudiante realizó una valoración ácido-base añadiendo una disolución de Na desde una bureta a una disolución de Cl contenida en un erlenmeyer. Como indicador, utilizó fenoftaleína, detectando un color rosa tenue en el punto de equivalencia. Sin embargo, después de unos minutos, la disolución se volvió gradualmente incolora. Qué pudo haber sucedido? El dióxido de carbono (C ) del aire se disuelve en agua para dar ácido carbónico ( C ), el cual neutraliza el Na. 99

.5 La reina egipcia Cleopatra apostó con Marco Antonio que lo invitaría a la cena más cara jamás servida. Cleopatra tomó una de las perlas de sus pendientes (valorada en dos millones de onzas de plata), la machacó y la echó en una copa que contenía vinagre. La perla (fundamentalmente, CaC ) se disolvió, produciendo efervescencia, y la reina, triunfalmente, bebió el líquido. a) Escribe la ecuación ajustada de la reacción. b) Identifica el gas desprendido y calcula su densidad a, atm de presión y 98 K. c) Explica por qué, en esta memorable cena, tal vez Cleopatra se convirtió en la primera mujer en utilizar suplementos dietéticos contra la osteoporosis. Infórmate en la dirección: www.e-sm.net/qbach9 a) En una primera etapa, se produce una reacción de transferencia de protones desde el ácido acético presente en el vinagre a los iones carbonato que contienen el CaC (principal componente de las perlas): C C (aq) + CaC (s) C C (aq) + Ca + (aq) + C (aq) En una segunda etapa, se produce la transferencia de un protón desde el ácido acético al ion hidrógeno carbonato formado en la fase anterior: C C (aq) + C (aq) C C (aq) + C (aq) El ácido carbónico ( C ) formado es inestable y se descompone produciendo dióxido de carbono (C ) gaseoso y agua ( ): La ecuación del proceso global es: C (aq) C (g) + (l) C C (aq) + CaC (s) Ca(C C) (aq) + C (g) + (l) b) El gas desprendido es dióxido de carbono (C ), formado en la descomposición del ácido carbónico ( C ), producido a su vez cuando el ion carbonato ( C ) capta dos iones +. Si, de acuerdo con la ecuación de los gases, llamamos M a la masa molar, tenemos: p V n R T m RT M d m V p M R T, (atm),(g mol ),8(atm L K mol ) 98 (K),8 g L c) El acetato de sodio formado es una sal soluble que se disocia formando iones Ca + (aq) que el organismo absorbe y puede utilizar para la remineralización de los huesos.

.6 La anilina, C 6 5 N, es una base débil (K b, ) muy utilizada en la industria de los colorantes. Supón que se valoran 5, ml de una disolución acuosa de,56 mol L - de anilina con Cl,95 mol L -. a) Cuál es el p de la disolución de anilina antes de empezar la valoración? b) Cuál es el p en el punto de equivalencia? c) Calcula el p a mitad de la valoración. d) Consultando una tabla de indicadores, elige uno adecuado para detectar el punto de equivalencia. a) La anilina es una base débil, por lo que reaccionará con el agua según el equilibrio: C 6 5 N (aq) + (l) + 65N C (aq) + (aq) Antes de empezar la valoración, tenemos una disolución de,56 mol L de anilina. Si llamamos x a los moles L de anilina que se ionizan, y despreciamos los iones procedentes de la autoionización del agua frente a los que se originan en la disociación de la anilina, tenemos: C 6 5 N + + 65N C + Concentración inicial ([ ] ),56 Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ),56 x x x Sustituyendo las concentraciones de la tabla en la expresión de la constante de basicidad (K b ), obtenemos: K + [ C N ][ ] x x 6 6 5 b, x, [C65N],56 x eq Por tanto, la concentración de iones + es: En consecuencia, el p vale: + [ ] K W [ ],, 6, p log [ + ] log (, 9 ) 8,5 b) El ácido clorhídrico (Cl) es un ácido fuerte y reacciona con la anilina (base), según la ecuación irreversible: 9 M Cl (aq) + C 6 5 N (aq) C N + Cl 5 6 (aq) El número de moles iniciales de anilina son:,5 (L),56 (mol L ) 6, mol El punto de equivalencia se alcanzará cuando se hayan añadido otros 6, mol de Cl, habiéndose formado 6, + mol de C 65N : Cl (aq) + C 6 5 N (aq) C N + Cl 6 5 Moles iniciales 6, 6, Moles en equilibrio 6, El volumen de Cl que debe añadirse para alcanzar el punto de equivalencia es: 6, (mol Cl) (L),8 L,95 (mol Cl) Suponiendo los volúmenes aditivos, la concentración de hidrocloruro de anilina o cloruro de anilinio ( C N + Cl 6 5 ) en el punto de equivalencia es: 6, (mol), mol L (,5 +,8) (L) El C N + Cl 5 6 es una sal soluble que se disocia en agua totalmente: C N + Cl 6 5 + 65N C + Cl Concentraciones iniciales (M), Concentraciones finales (M),,

El ion Cl no sufre hidrólisis, ya que es la base conjugada de un ácido fuerte. Pero, el ion C 65N sí experimenta hidrólisis ácida, puesto que es el ácido conjugado de la anilina, una base débil. + Si llamamos x a los moles L de + 65N C que se hidrolizan, tenemos: + 65N C + C 6 5 N + + Concentración inicial ([ ] ), Cambio en la concentración (Δ[ ]) x +x +x Concentración en el equilibrio ([ ] eq ), x x x La constante de acidez (K a ) del de la anilina: + 65N C podemos calcularla a partir de la constante de basicidad (K b ) K + K W, 5 a(c65n ), Kb(C65N ), Si sustituimos los valores de las concentraciones de equilibrio en la expresión de la K a y despejamos el valor de x, obtenemos: K a + [ C65N ][ ] + [ C N ] Por tanto, el p de la disolución es: 6 5 eq x x,, x 5 x 5, mol L p log [ + ] log (5, ),9 Resulta un p ácido, como corresponde a la disolución de una sal de ácido fuerte y base débil. c) A mitad de la valoración, es decir, cuando el número de moles de Cl que se han adicionado es la mitad de los moles iniciales de anilina, se tiene: Cl (aq) + C 6 5 N (aq) C N + Cl 5 6 (aq) Moles iniciales, 6, Moles en equilibrio,, + Cl Dado que el C6 5N se disocia totalmente, la disolución resultante contiene, moles de C 6 5 N (una base débil) y, + moles de su ácido conjugado, el ion C 65N. Por tanto, se trata de una disolución reguladora. El p de una disolución reguladora formada por un ácido débil (A) y su base conjugada (A ) viene dada por la ecuación aproximada: no (A ) p pka + log, n (A) donde K a es la constante de acidez del A, que no tiene por qué ser, necesariamente, una especie neutra, ni su base conjugada, un anión mononegativo. Si aplicamos la ecuación anterior al sistema, ya + + que el C 65N /C 6 5 N (en el que el ácido es la especie C 65N, mientras que su base conjugada es la anilina, C 6 5 N ), tenemos: no (C65N ) p pka + log + n (C N ) Al sustituir los valores en la ecuación anterior, obtenemos: o o 6 5 ( mol) ( mol) n (C N ), p pk log o 6 5 5 a + log (, ) + log,6 + n (C N ), o 6 5 Se observa que, como el número de moles de ácido es igual al de su base conjugada, el valor del p es igual al pk a del ácido. d) Un indicador es adecuado si el cambio de color ocurre en torno al punto de equivalencia, es decir, si se verifica la siguiente condición: pk In p (punto de equivalencia) ±,9 ± El pk In debe estar, aproximadamente, entre, y,. Por tanto, un indicador adecuado es el naranja de metilo (pk In,).

.7 Como consecuencia de la extracción del carbón y otros minerales, la pirita de hierro (FeS ) queda expuesta al oxígeno y acaba formando ácido sulfúrico: FeS + 5 + Fe (S ) + S El agua ácida de las minas luego drena en lagos y arroyos y mata peces y otros animales. En una mina de Colorado, Estados Unidos, una muestra de 6,5 ml de agua fue completamente neutralizada con 5, ml de una disolución,55 mol L - de K. Determina cuál era la concentración molar de S en esa agua. Para el hidróxido de potasio, v. Por tanto, su normalidad viene dada por el mismo número que su molaridad: ( mol K) ( L disolución),5 ( equivalente K),55 ( mol K) L disolución equivalentes K En el punto de equivalencia, N a V a N b V b. Si despejamos la normalidad del ácido, obtenemos: Nb Vb N V a,55 ( equivalentes L ) 6,5 (ml) 5, (ml) a equivalentes,9 L Para el ácido sulfúrico ( S ), v. Por tanto, la concentración molar de S en el agua de la mina es: ( equivalentes S ) ( L disolución ) ( mol S ) mol S,96 ( equivalentes S ) L disolución,9.8 Entre los diferentes oxoácidos de un mismo elemento Z, la fuerza ácida se correlaciona con el valor del cociente entre el número de átomos de oxígeno no unidos a hidrógenos y el número de átomos de Z. Para el 5 P, cuya estructura es P 5 () 5, dicho cociente es 5/. Teniendo en cuenta dicha correlación, ordena por orden creciente de acidez: P, P 9, P 7 y 5 P. Supón que no hay ningún átomo de hidrógeno unido directamente al fósforo en dichos compuestos. (Las sales sódicas de estos ácidos polifosfóricos se añaden a los detergentes para mejorar su poder de limpieza.) Dado que ninguno de los oxoácidos dados posee ningún átomo de hidrógeno unido directamente al fósforo, todos los átomos de hidrógeno deben estar unidos a sendos átomos de oxígeno. Por tanto, las fórmulas de los oxoácidos dados pueden escribirse como: P P() P 9 P 6 () P 7 P () 5 P P 5 () 5 El cociente entre el número de átomos de oxígeno no unidos a hidrógenos y el número de átomos de fósforo para cada uno de ellos es: P() : / P 6 () : 6/ P () : /,5 P 5 () 5 : 5/,667 Teniendo en cuenta que la fuerza ácida es tanto mayor cuanto más grande sea el cociente anterior, si ordenamos los oxoácidos del fósforo dados por orden creciente de acidez, quedarían como sigue: P < P 7 < 5 P < P 9

Reacciones de precipitación EJERCICIS PRPUESTS. Escribe la expresión del K s para las siguientes sales insolubles: a) BaS b) Fe() a) K s [Ba + ] [S ] b) K s [Fe + ] [ ]. La solubilidad del yoduro de plata, AgI, es, 8 mol L, a 5 ºC. Calcula el K s para el AgI a esta temperatura. Si llamamos s a la solubilidad molar del AgI en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentación inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq AgI (s) Ag + (aq) + I (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), resulta: K s [Ag + ] [I ] (s) (s) s (, 8 ),9 6. El K s del Ni() es,6. Si una disolución contiene [Ni + ], mol L y vamos aumentando el p, sin cambiar la concentración de Ni +, a qué valor del p comienza a precipitar el Ni()? La ecuación del equilibrio heterogéneo de solubilidad del Ni() en agua es: Ni() (s) Ni + (aq) + (aq) La constante del producto de solubilidad (K s ) viene dada por la expresión: K s [Ni + ] [ ] El Ni() comenzará a precipitar cuando el producto iónico sea igual al producto de solubilidad: s + [ Ni ][ ] Ks Q [ ] K s + [ Ni ],6,, 6 moll Por tanto, el valor del p cuando comienza la precipitación es: + [ ] K w, p log log log 8, 6, [ ]

. Se prepara una disolución disolviendo, mol de NaCl y,5 mol de Pb(N ) en litro de agua. Predice si se formará o no un precipitado de PbCl. Dato. K s del PbCl es,7 5 Teniendo en cuenta las disociaciones totales de las sales solubles dadas: NaCl Na + (aq) + Cl (aq) Pb(N ) (s) Pb + (aq) + N (aq) Un mol de NaCl produce un mol de iones Cl, y un mol de Pb(N ) origina un mol de Pb +. Las concentraciones de Pb + y Cl en la mezcla formada son, inicialmente, +,5 (mol), (mol) [Pb ],5 mol L ; [Cl ], mol L (L) (L) Teniendo en cuenta el equilibrio de solubilidad del PbCl, PbCl (s) Pb + (aq) + Cl (aq), el valor del producto iónico en la mezcla recién formada es: Q s [Pb + ] [Cl ] (,5 mol L ) (, mol L ) 6, 5 > K s,7 5 Dado que el producto iónico es mayor que el valor del producto de solubilidad (K s ), sí se formará precipitado de PbCl, lo que reducirá el valor de Q s, hasta que, finalmente, sea igual al K s..5 Calcula la solubilidad del cloruro de plata, AgCl, en una disolución, mol L de nitrato de plata, AgN. El AgN es una sal soluble que se disocia totalmente: AgN (aq) Ag + (aq) + N (aq) Por tanto, la concentración de Ag + procedente del AgN es, mol L. Si designamos s a la solubilidad molar del AgCl en una disolución, mol L de AgN, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq), +s +s, + s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ) y despejar s, obtenemos: K s,8 [Ag + ] [Cl,8 ] (, + s) s (,) s s, 9, 9 mol L.6 Indica para cuáles de las siguientes sales, la solubilidad aumenta al disminuir el p: a) Ni(). b) AgCl. c) CaC. Para la resolución del ejercicio hay que tener en cuenta que la solubilidad de una sal poco soluble que contiene un anión básico se hace mayor al aumentar la concentración de iones hidronio, es decir, al disminuir el p. a) La solubilidad del Ni() aumenta al disminuir el p, dado que el anión es una base fuerte que reacciona con los iones hidronio desplazando hacia la derecha el equilibrio de solubilidad: Ni() (s) Ni + (aq) + (aq) b) El ion cloruro (Cl ) no tiene carácter básico, ya que es la base conjugada de un ácido fuerte (el ácido clorhídrico [Cl]). En consecuencia, el p prácticamente no afecta a la solubilidad del AgCl. c) La solubilidad del CaC aumenta al disminuir el p, dado que el anión C es una base (la base conjugada del hidrógeno carbonato [ C ] un ácido muy débil) y, en consecuencia, reacciona con los iones hidronio desplazando el equilibrio de solubilidad hacia la derecha: CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) 5

.7 Explica cómo se puede preparar nitrato de magnesio comenzando con cloruro de magnesio puro. Se disuelve cloruro de magnesio (MgCl ) en agua pura y se añade nitrato de plata (AgN ) para precipitar todo el ion cloruro como clorulo de plata (AgCl). Se filtra el sólido para separarlo de la disolución. Se evapora el agua de la disolución filtrada para dejar nitrato de magnesio (Mg(N ) ) sólido..8 Se añade Cl a una disolución que contiene, mol L de Pb + y, mol L de Ag +. Determine la [Cl ] a partir de la cual precipita cada ion. Datos. K s PbCl,6 5 ; K s AgCl,7. El equilibrio de solubilidad para el PbCl es: PbCl (s) Pb + (aq) + Cl (aq) K s,6 5 La disolución estará saturada cuando Q s iguale al valor de K s. La concentración de Cl necesaria para ello es: Q s [Pb + ] [Cl ] K s [Cl ] K [Pb s + ] 5,6,,8 mol L Por tanto, se requiere [Cl ] >,8 mol L para que empiece a precipitar PbCl. Análogamente, la concentración de Cl necesaria para que la disolución esté saturada de AgCl, resulta: AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) K s,7 Q s [Ag + ] [Cl Ks,7 ] K s [Cl ] + [Ag ],,7 8 mol L Precipita primero, pues, el AgCl, cuando la concentración de Cl supera el valor de,7 8 mol L. El PbCl precipita a partir de una concentración de Cl de,8 mol L..9 Dispones de una disolución que solo puede contener los cationes Ag +, Cu + y Zn +. Qué harías para descubrir cuáles de estos iones contiene? Primero añadimos Cl 6 mol L - ; si se forma un precipitado debe ser AgCl (de color blanco), lo que confirmaría la presencia de Ag +. Entonces, después de filtrar el AgCl (si lo hubiere), se satura la disolución con S, manteniendo la concentración de iones hidronio en torno a, mol L. Si está presente el ion Cu +, deberá precipitar como CuS, que es insoluble incluso en un medio muy ácido. Finalmente, se filtra el posible precipitado de CuS y se ajusta el p a 9, saturando, de nuevo, con S; si hay Zn +, precipitará como ZnS (insoluble en un medio básico, pero soluble en un medio ácido).. Describe una prueba sencilla que permita distinguir entre AgN y Cu(N ), identificando los diferentes cationes. Como ambas sales son solubles, se disuelve la muestra dada en agua y se añade Cl 6 mol L -. Si se trata de AgN, se formará un precipitado blanco de AgCl. Si este no se formara, se trataría de Cu(N ).. 6

. Utilizando el dato de la constante de formación del ion complejo [AgCl ] de la tabla, calcula la solubilidad molar del AgCl (K s,7 ) en una disolución, mol L de NaCl y compárala con el valor en agua pura. Si llamamos s a la solubilidad molar del AgCl en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, se tiene: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) +s +s s s Si aplicamos estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), obtenemos: K s [Ag + ] [Cl ] (s) (s) s s K s,7, 5 mol L Las ecuaciones de los equilibrios de solubilidad del AgCl y de formación del ion complejo [AgCl ] son: () AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) K K s,7 () Ag + (aq) + Cl (aq) [AgCl ] (aq) K K f,7 5 Al sumar las dos ecuaciones anteriores, obtenemos la siguiente ecuación global: La constante de equilibrio (K c ) de esta reacción global es: () AgCl (s) + Cl (aq) [AgCl ] (aq) K + {[Ag ] [Cl ]} Kf s K [AgCl] [AgCl] eq K + [Cl ] [Ag ] [Cl ] eq eq K K f K s (,7 5 ) (,7 ),9 5 El valor de la K c se podría haber obtenido aplicando la regla de los equilibrios múltiples. Dado que la ecuación global es igual a la suma de las ecuaciones () y (), su constante de equilibrio es igual al producto de las constantes de equilibrio de las reacciones () y (): ec () ec () + ec () K K K K f K s El NaCl es una sal soluble que se ioniza totalmente, de manera que una disolución, mol L de NaCl contiene, mol L de iones Na + y, mol L de iones Cl. Si llamamos x a la solubilidad molar del AgCl en la disolución dada, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de la reacción global, tenemos: AgCl (s) + Cl (aq) [AgCl ] (aq) Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq, x +x, x x Al aplicar estos valores en la expresión de la constante de equilibrio, obtenemos: K [AgCl] x 5 c,9 [Cl ] (, x) eq Resolviendo esta ecuación de primer grado en x, se obtiene x,9 5 mol L. (Dado el pequeño valor de K c, se puede despreciar x frente a,). Es decir, se disuelven,9 5 mol de AgCl en L de disolución, mol L de NaCl (aq). 7

. El hidróxido de cinc es muy insoluble en agua, como prueba su valor de K s (,5 7 ). Consultando la tabla de equilibrios de formación de iones complejos, explica por qué el Zn() se disuelve en disoluciones básicas con valores altos de p. El hidróxido de cinc, a pesar de ser muy insoluble (K s,5 7 ), se disuelve en disoluciones básicas, debido a la formación del ion complejo [Zn() ] (aq). El proceso puede verse como la suma de dos reacciones: el equilibrio de solubilidad del Zn(), y la interacción ácido-base de Lewis entre el ion Zn + y los iones : () Zn() (s) Zn + (aq) + (aq) () Zn + (aq) + (aq) [Zn() ] (aq) Global: Zn() (s) + (aq) [Zn() ] (aq) De acuerdo con el principio de Le Châtelier, el aumento que se produce en la concentración de iones al subir el p desplaza el equilibrio global hacia la derecha, lo que supone la disolución del Zn() sólido para formar [Zn() ] (aq). Debido al valor tan alto de la K f del complejo [Zn() ], la reacción () está muy desplazada hacia la derecha. La gran estabilidad del ion [Zn() ] es la fuerza impulsora de la disolución del Zn(). EJERCICIS Y PRBLEMAS SLUBILIDAD. PRDUCT DE SLUBILIDAD. La dolomita, CaMg(C ), es un carbonato natural importante. Escribe la ecuación química y la expresión del producto de solubilidad para su disolución en agua. CaMg(C ) (s) Ca + (aq) + Mg + (aq) + K s [Ca + ] [Mg + ] [ C ] C (aq). La hermosa pátina superficial verde que se forma en los tejados de cobre es un carbonato básico de cobre, Cu () C. Escribe la ecuación química y la expresión del producto de solubilidad para la disolución de dicho compuesto en agua. Cu () C (s) C (aq) + (aq) + Cu + (aq) K s [ C ] [ ] [Cu + ].5 Los papiros egipcios revelan que el sulfuro de antimonio, que se encuentra en la naturaleza en forma del mineral estibnita, se utilizaba hace más de años para tratar la fiebre y enfermedades de la piel. Si la expresión del producto de solubilidad para el sulfuro de antimonio es K s [Sb + ] [S ], a) Cuál es la fórmula de esta sal? b) Escribe la expresión que relaciona el Ks con la solubilidad molar, s, del sulfuro de antimonio. a) La fórmula unidad del sulfuro de antimonio contiene dos iones Sb + y tres iones S. Por tanto, la fórmula de esta sal es Sb S. b) Si llamamos s a la solubilidad molar del Sb S en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq Sb S (s) Sb + (aq) + S (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), obtenemos: K s [Sb + ] [S ] (s) (s) 8 s 5 8

.6 Las piedras que se forman en el riñón son, en general, sales insolubles de calcio o magnesio, tales como CaC, Ca (P ) o MgN P. Deduce para cada una de estas sales la relación entre la solubilidad molar en agua pura, s, y el producto de solubilidad, K s. Si llamamos s a la solubilidad molar de la sal correspondiente en agua pura, de acuerdo con la estequiometría de los equilibrios de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) +s +s s s Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq Ca (P ) (s) Ca + (aq) + P (aq) +s +s s s Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq MgN P (s) Mg + (aq) + + N (aq) + P (aq) +s +s +s s s s Para el CaC (s): K s [Ca + ] [ C ] (s) (s) s s K s Para el Ca (P ) (s): K s [Ca + ] [ P ] (s) (s) 8 s 5 K 5 s s 8 Para el MgN P (s): K s [Mg + ] [ N ] [ P ] (s) (s) (s) s s +.7 Los cationes de los metales alcalinotérreos Mg +, Ca + y Ba + pueden precipitarse como fluoruros. Si se tiene una disolución que es,5 mol L en cada uno de estos iones y se va añadiendo lentamente KF, en qué orden se espera que precipiten los fluoruros de dichos metales? Datos. K s MgF 6,6 9 ; K s CaF,9 ; y K s BaF,7 6. Como todos los cationes tienen la misma carga, si designamos genéricamente M + a los cationes dispositivos de un metal alcalinotérreo, el equilibrio de solubilidad para el correspondiente fluoruro, MF, es: MF (s) M + (aq) + F (aq) K s La disolución estará saturada cuando Q s iguale al valor del K s. La concentración de F necesaria para ello es: Q s [M + ] [F ] Ks Ks K s [ F ] + [M ],5 Ks Por tanto, se requiere que [ F ] > para que empiece a precipitar el fluoruro MF. En consecuencia, la,5 concentración a la que empieza la precipitación es proporcional a la raíz cuadrada del producto de solubilidad (K s ). Cuanto menor sea este, antes comenzará a precipitar el correspondiente fluoruro. Comparando los valores dados del K s, el primero que precipita es el CaF, seguido del MgF. El BaF, dado que tiene el producto de solubilidad (K s ) más alto, es el último en precipitar. Es importante advertir que el orden de los valores del K s determina, unívocamente, el orden de precipitación solo si las sales tienen fórmulas con la misma estequiometría..8 Una dosis de 5 mg de cloruro de mercurio (II), gcl, es letal, mientras que esa misma cantidad de cloruro de mercurio (I), g Cl, es relativamente inocua. Dado que los iones g + + y g son ambos muy tóxicos, cómo se explica la diferencia? El g Cl es muy insoluble en agua, de modo que solo una cantidad muy pequeña de iones disueltos, en forma de iones K s + g se encuentran + g (aq) de tal forma que puedan ser absorbidos por el organismo. Por otra parte, el gcl es mucho más soluble, de manera que la concentración de iones g + (aq) disueltos es suficientemente alta como para resultar letal. 9

CÁLCUL DE LA SLUBILIDAD. EFECT DEL IN CMÚN.9 Los antiácidos que contienen Al + pueden disminuir la concentración de iones fosfato en el cuerpo, debido a la formación de fosfato de aluminio, AlP, una sal insoluble cuyo K s vale,. a) Escribe la ecuación correspondiente al equilibrio de disolución del AlP en agua. b) Calcula la solubilidad molar de esta sal en agua pura. a) AlP (s) Al + (aq) + P (aq) b) Si llamamos s a la solubilidad molar del AlP en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, se tiene: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq AlP (s) Al + (aq) + P (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), tenemos: K s [Al + ] [ P ] (s) (s) s s K s,, mol L. Debido a su opacidad a los rayos X, la suspensión de BaS (s) se emplea de forma habitual en el análisis por rayos X del tracto intestinal. a) Qué cantidad de Ba + (aq) contienen ml de una disolución saturada de BaS? b) El catión Ba + es bastante tóxico. Por qué se usa entonces BaS en el análisis por rayos X? c) Se podría utilizar Ba(N ) en lugar de BaS? Dato. K s, a) Si llamamos s a la solubilidad molar del BaS en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq BaS (s) Ba + (aq) + S (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), tenemos: K s [Ba + ] [ S ] (s) (s) s s K s,, 5 mol L En una disolución saturada, la concentración es igual a la solubilidad. Por tanto, la cantidad de iones bario en ml de disolución saturada es:,, (L) 5 (mol (L) Ba + + ) 7, (g Ba ) + (mol Ba ),7 g Ba + b) Debido a la baja solubilidad del BaS, la cantidad de bario disuelto en forma de Ba + (aq), asimilable por el organismo, es muy pequeña. c) No sería posible utilizar Ba(N ) en lugar de BaS, debido a que el primero, como todos los nitratos, es muy soluble y, por tanto, si se suministrara, la cantidad de Ba + absorbida por el organismo sería letal.

. En el caso de que un paciente sea ligeramente alérgico al Ba + (aq), cuál de los siguientes métodos se emplearía para disminuir la concentración de Ba + (aq) y reducir los efectos de la alergia cuando el paciente tenga que ingerir la suspensión de BaS para un análisis de rayos X? a) Calentar la disolución saturada. b) Añadir sulfato de sodio, Na S. c) Añadir más BaS. BaS (s) Ba + (aq) + S (aq) Δ > a) De acuerdo con el principio de Le Châtelier, un aumento de la temperatura desplaza el equilibrio hacia la derecha, ya que en ese sentido la reacción es endotérmica (Δ > ), de modo que se absorbe calor, lo que contrarresta, parcialmente, el aumento de la temperatura. Por tanto, al calentar la disolución, aumenta la solubilidad. Dado que la temperatura no puede aumentarse mucho (debido a que el paciente tiene que ingerirla y, además, el agua hierve a ºC), el aumento de solubilidad que se produce cuando se calienta algo la disolución no es significativo. b) El Na S es una sal soluble que se disocia en agua dando iones Na + e iones S. En consecuencia, su adición, de acuerdo con el principio de Le Châtelier, desplaza el equilibrio de solubilidad hacia la izquierda, ya que en ese sentido se consumen iones sulfato para formar BaS, lo que contrarresta parcialmente la aportación del Na S de iones S. Por tanto, al añadir Na S, disminuye la solubilidad del BaS por efecto del ion común. c) La solubilidad de una sal no depende de la cantidad de la misma. De forma que, mientras haya algo de sulfato de bario (BaS ) sólido, la cantidad disuelta no varía aunque se añada más BaS : toda la cantidad que se añada, si la disolución está ya saturada, quedará sin disolverse en el fondo. En definitiva, para disminuir la concentración de Ba + (aq) de las medidas propuestas, solo la adición de NaS resulta efectiva.. La máxima concentración permitida de iones Pb + en el agua potable es de,5 ppm (es decir,,5 g de Pb + en un millón de gramos de agua). Si el agua de un pozo subterráneo estuviera en equilibrio con el mineral anglesita, PbS (K,6 8 ), se rebasaría la cantidad impuesta por esta norma? La máxima concentración permitida de iones Pb +, expresada en mol L, es: + +,5 (g Pb ) (kg agua) (mol Pb ) 7, mol L + (kg agua) (L agua) 7,9 (g Pb ) Si llamamos s a la solubilidad molar del PbS en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq PbS (s) Pb + (aq) + S (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), obtenemos: K s [Pb + ] [ S ] (s) (s) s s K s,6 8, mol L Por tanto, el agua de un pozo con una disolución saturada de PbS tendría una concentración de iones Pb + igual a,, superior a la cantidad límite permitida.

. El agua que contiene iones Ca + y Mg + se conoce como agua dura y no es adecuada para el consumo doméstico. Una manera de ablandar el agua dura es añadir sosa (Na C ). a) Sabiendo que la solubilidad molar del CaC en agua pura es 9, 5 mol L, calcula su solubilidad molar en una disolución,5 mol L de Na C. b) Por qué no se pueden eliminar los iones magnesio por este método? a) En primer lugar, determinaremos el valor del producto de solubilidad (K s ) del carbonato de calcio (CaC ). Si llamamos s a la solubilidad molar del CaC en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), obtenemos: K s [Ca + ] [ C ] (s) (s) s (9, 5 ) 8,7 9 Puesto que el Na C es una sal soluble que se disocia totalmente: Na C (aq) Na + (aq) + C (aq), la concentración de C procedente del Na C es,5 mol L. Si llamamos s a la solubilidad del CaC en una disolución de,5 mol L - de Na C, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq CaC (s) Ca + (aq) + C (aq),5 +s +s s,5 + s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), cuyo valor sigue siendo el mismo (ya que no varía la temperatura) y despejar, obtenemos: 8,7 K s 8,7 9 [Ca + 7 ] [ C ] s (,5 +s ) s (,5) s',7 mol L,5 b) Porque el MgC, cuyo K s, 5, es mucho más soluble que el CaC (K s 8,7 7 ). 9. Una disolución está saturada con palmitato de magnesio, Mg(C 6 ), un componente del cerco de las bañeras, a 5 ºC. Cuántos miligramos de palmitato de magnesio precipitarán en 55 ml de esta disolución cuando se enfríe a 5 ºC? Para el palmitato de magnesio, K s,8 a 5 ºC y, a 5 ºC. Si llamamos s a la solubilidad molar del BaS en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq 6 Mg(C 6 ) (s) Mg + (aq) + C (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), obtenemos: K s [Mg + ] [ C 6 ] (s) (s) s K s s

Si sustituimos el valor del K s para la temperatura correspondiente, resulta: A 5 ºC: A 5 ºC: s s K s,8 L, mol K s, 5 L 9, mol Por tanto, una disolución saturada de palmitato de magnesio a 5 ºC contiene, mol disueltos por litro. Si se enfría a 5 ºC, solo podrán disolverse 9, 5 mol L, de modo que precipitarán:, mol L 9, 5 mol L,6 5 mol L Así pues, la cantidad de palmitato de magnesio que precipitará de los 55 ml es:,6,55 (L) 5 (mol Mg(C6 (L) ) ) 55,6 (g Mg(C6 ) ) (mol Mg(C ) ) 6 (mg), mg (g).5 El radio es un elemento muy escaso y altamente radiactivo. Por ello, puede ser conveniente eliminar la mayor cantidad de Ra + de una disolución. Sabiendo que la solubilidad molar del RaS en agua pura es de 6 6 mol L, calcula la concentración de Ra + en una disolución de Na S cuya concentración de ion S es, mol L. Primero determinaremos el valor del producto de solubilidad (K s ) del sulfato de radio (RaS ). Si llamamos s a la solubilidad molar del RaS en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: RaS (s) Ra + (aq) + S (aq) Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), obtenemos: K s [Ra + ] [ S ] (s) (s) s (6 6 ),6 El sulfato de sodio (Na S ) es una sal soluble que se disocia totalmente: Na S (aq) Na + (aq) + S (aq) Por tanto, la concentración de S procedente del Na S es, mol L. Si designamos s a la solubilidad del sulfato de radio en una disolución de, mol L - de Na S, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq RaS (s) Ra + (aq) + S (aq), +s +s s, + s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), cuyo valor sigue siendo el mismo (ya que no varía la temperatura), y despejar, obtenemos: K s,6 [Ra +,6 ] [ S ] s (, + s ) s (,) s',6 mol L, Debido al efecto del ion común, la solubilidad del RaS se ha reducido aproximadamente a la cienmilésima parte de su solubilidad en agua pura.

.6 Para combatir el calentamiento global, algunos científicos han propuesto añadir compuestos de hierro (III) a regiones extensas del océano para promover el crecimiento del fitoplancton, que a su vez eliminaría C de la atmósfera gracias a la fotosíntesis. Calcula la máxima concentración de Fe + en el agua de mar, cuyo p es 8,, sabiendo que el K s del Fe() vale 6, 8. En primer lugar, tenemos que calcular la concentración de iones hidróxido en el agua del mar: p log [ + ] 8, [ + ] 8, mol L [ ] K w + [ ], 8,, 6 mol L La máxima concentración de Fe + disuelta, correspondiente a una disolución saturada, se alcanza cuando el producto iónico es igual al valor del producto de solubilidad (K s ). Por tanto, K s [Fe + ] [ ] [Fe + K ] [ s ] 6, (, 8 6 ) mol L El valor del p limita el resultado a una sola cifra significativa. CÁLCUL DE LA SLUBILIDAD. EFECT DEL IN CMÚN.7 La cal apagada, Ca(), es la base más barata del mercado. Se obtiene mezclando cal viva (Ca) con agua. Cuando se ponen,68 g de Ca() en, L de agua a 5 ºC, la disolución resultante tiene un p de,. Calcula el K s del Ca(). Si llamamos s a la solubilidad molar del Ca() en agua pura y despreciamos los iones hidróxido procedentes de la autoionización del agua, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq Ca() (s) Ca + (aq) + (aq) +s +s s s La concentración de iones hidróxido puede obtenerse a partir del valor del p: p + p, p,,,6 p log [ ] [ ],6,5 mol L Por tanto, s,5 mol L. Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), resulta: K s [Ca + ] [ ],5 (mol L ),5 (mol L ) 7,8 6

.8 Las acidas de los metales pesados, las cuales son sales del ácido hidrazoico (N ), se utilizan como detonadores de explosivos. Determina la solubilidad molar de la acida de plomo, Pb(N ), en una disolución reguladora de p,. Datos. K s del Pb(N ),5 9 ; K a del N,9 5 Las ecuaciones de los equilibrios de solubilidad de la acida del plomo Pb(N ) y de disociación del ácido hidrazoico (N ) son: () Pb(N ) (s) Pb + (aq) + () N (aq) + (aq) N (aq) K K s,5 9 N (aq) + + (aq) K K a,9 5 Si a la ecuación () restamos la ecuación () multiplicada por, se obtiene la ecuación global: La constante de equilibrio (K c ) de esta reacción global es: () Pb(N ) (s) + + (aq) Pb + (aq) + N (aq) K eq eq [N ] + K s {[N ] [Pb ]} eq + + [Pb ] [N ] + [N ] [Pb ] [N ] K + + [ ] [N ] [ ] [N ] [ ] K Al aplicar los valores dados de K s y K a, obtenemos: 9 Ks,5 K 5 ( Ka ) (,9 ) De manera alternativa, el valor de K c se podría haber obtenido aplicando las reglas de los coeficientes y la de los equilibrios múltiples: Ks Ec Ec Ec K K (K ) (K ) Si llamamos s a la solubilidad molar del Pb(N ) en la disolución dada de p,, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de la reacción global, tenemos: 6,9 Pb(N ) (s) + + (aq) Pb + (aq) + N (aq) a eq a Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión de la constante de equilibrio, obtenemos: K c + [Pb ] [N [ ] ] + eq (s) (s) [ ] + s [ + ] s + [ ] Kc A p,, la concentración de iones hidronio es: p log [ + ] [ + ],, mol L Por tanto, la solubilidad del Pb(N ) en una disolución cuyo p se mantiene igual a,, resulta: s + [ ] Kc (, ) (6,9), mol L El resultado debe darse con dos cifras significativas. 5

.9 La yema del huevo contiene 5% de agua, % de grasa, 6% de proteína y una pequeña cantidad de hierro en forma de iones Fe +,que dan lugar a la formación de sulfuro de hierro (II). Teniendo en cuenta el equilibrio: FeS (s) + (l) Fe + (aq) + S (aq) + (aq), cuya K c 5 9, calcula la solubilidad molar de FeS en una disolución saturada de S y amortiguada a un p constante de,. Datos. En una disolución saturada de S, el valor de [ S] se mantiene fijo en, mol L ; K a del S 9, 8. La concentración de iones hidróxido puede obtenerse a partir del valor del p: p + p, p,,, p log [ ] [ ], mol L El equilibrio de la primera ionización del S en agua es: S (aq) + (aq) S (aq) + + (aq) Al sustituir en la expresión de la constante de acidez (K a ) del S y despejar la concentración de iones S en las condiciones de p y saturación de S dadas, obtenemos: K a + [S ] [ ] [S] eq [S] K [S ] [ ] a + (,) (9,, 8 ) 9 6 mol L Para el equilibrio heterogéneo de solubilidad del FeS, FeS (s) + (l) Fe + (aq) + S (aq) + (aq), la expresión de la constante de equilibrio (K c ) viene dada por: K c [Fe + ] [S ] [ ] Si despejamos la concentración de Fe + y sustituimos los valores de las otras concentraciones en la disolución dada, resulta: [Fe + 9 Kc 5 ] 6 [S ] [ ] (9 ) ( 6 ) El dato de la K c y del p limita el resultado a una sola cifra significativa. mol L REACCINES DE PRECIPITACIÓN. Los fosfatos en aguas naturales precipitan frecuentemente como sales insolubles, como el Ca (P ). En un río en el que [Ca + ] in [ P ] in, 9 mol L, precipitará el Ca (P )? Dato. K s del Ca (P ), 9 El equilibrio de solubilidad del fosfato de calcio es: El producto iónico inicial en el agua del río vale: Q s [Ca + ] [ P Ca (P ) (s) Ca + (aq) + P (aq) ] (, 9 ) (, 9 ), 5 Dado que Q s < K s, no se formará precipitado de Ca (P ) (la disolución está insaturada). 6

. Las emulsiones de cloruro de plata para las películas fotográficas se preparan añadiendo una sal de un cloruro soluble a una disolución de nitrato de plata. Supón que se añaden 5 ml de una disolución de CaCl con una concentración de ion cloruro de 8, 6 mol L a ml de una disolución, mol L de AgN. Se formará un precipitado de AgCl? Dato. K s del AgCl,6 Teniendo en cuenta los volúmenes aditivos, las concentraciones de ion cloruro y de nitrato de plata (AgN ) en la disolución final son, respectivamente: 6 8, (mol L ),5 (L) 6 [Cl ] o 5, mol L ; [AgN ] (,5 +,) (L) El AgN es una sal soluble que se ioniza totalmente:, (mol L ), (L) o,5 mol L (,5 +,) (L) AgN Ag + + Concentraciones iniciales (mol L - ),5 N Concentraciones finales (mol L - ),5,5 El producto iónico inicial para el cloruro de plata (AgCl), al mezclar las disoluciones de CaCl y AgN, vale: Q s [Ag + ] [Cl ] (,5 ) (5, 6 ) 7,5 9 Dado que Q s > K s,6, sí se formará precipitado de AgCl (s), lo que hace disminuir el producto iónico hasta alcanzar un valor final igual al del producto de solubilidad (K s ) (disolución saturada).. Antes de que se prohibiera el plomo en las pinturas, el cromato de plomo (II), PbCr (K s ) era un pigmento común en las pinturas de color amarillo. Si se prepara, L de disolución mezclando,5 mg de nitrato de plomo (II) y, mg de cromato de potasio: a) Se formará precipitado? b) Cuál debe ser la concentración de Pb + para que comience la precipitación? a) Las concentraciones de nitrato de plomo, Pb(N ), y de cromato de potasio, K Cr, en la mezcla son, respectivamente: (mol),5 (g),(g) 6 [Pb(N ) ] o,5 mol L, (L) [K, (mol) (g) 9, (g), (L) 7 Cr] o, mol L El Pb(N ) y el K Cr son sales solubles que se disocian totalmente: Pb(N ) Pb + + Concentraciones iniciales (mol L - ),5 6 N Concentraciones finales (mol L - ),5 6, 6 K Cr K + + Cr Concentraciones iniciales (mol L - ), 7 Concentraciones finales (mol L - ), 7, 7 La ecuación del equilibrio heterogéneo de solubilidad del cromato de plomo (II) es: PbCr (s) Pb + (aq) + Cr (aq) Al mezclar el Pb(N ) y el K Cr, el producto iónico inicial para el cromato de plomo (II) vale: Q s [Pb + ] [ Cr ] (,5 6 ) (, 7 ),5 Dado que Q s > K s, sí se formará precipitado de PbCr (s). 7

b) Para que se forme precipitado, el valor del producto iónico debe ser mayor que el del producto de solubilidad (Q s > K s ). Por tanto, para que se produzca precipitación de PbCr, cuando la concentración de ion cromato sea igual a, 7 mol L, se debe cumplir: Q s [Pb + + Ks 7 ] [ Cr ] > K s [Pb ] > mol L + 7 [Cr ], La precipitación comienza cuando la concentración de ion Pb + supera el valor de 7 mol L.. En los años cincuenta y sesenta, los motoristas y camioneros limpiaban con refrescos de cola los parachoques y faros cromados de sus vehículos. El P reaccionaba químicamente con el cromo y formaba una capa superficial dura de fosfato de cromo, CrP, que lo protegía. Disolvía, además, el orín y protegía el acero. a) Escribe la ecuación del equilibrio de disolución del CrP en agua, cuyo K s es igual a,. b) Si la concentración de ion Cr + en agua es, mol L, cuál es la mínima concentración de P necesaria para que empiece a precipitar CrP? c) Calcula la concentración de Cr + cuando la concentración de a) CrP (s) Cr + (aq) + P (aq) P sea, mol L. b) La disolución estará saturada cuando Q s iguale al valor del producto de solubilidad (K s ). La concentración de P necesaria para ello es: Ks, ], mol L + Q s [Cr + ] [ P ] K s [P [Cr ], Para que se forme precipitado, el valor inicial de Q s debe ser mayor que el del K s (Q s > K s ). Por tanto, se requiere [ P ] >, mol L para que empiece a precipitar CrP (s). c) Si la concentración de P es, mol L en una disolución saturada de CrP, la concentración de iones Cr + es: + Ks, 9 [Cr ], mol L [P ], Si la concentración de Cr + supera este valor, se formará precipitado de CrP.. El oxalato de calcio, uno de los componentes más frecuentes de los cálculos renales, tiene un pk s 8,59 en el agua. a) Cuál es la solubilidad molar del CaC? b) Si la concentración de iones Mg + en los líquidos descargados en el riñón es, mol L y la concentración de ion oxalato, C, es,5 mol L, precipitará oxalato de magnesio si pk s,7? a) Si llamamos s a la solubilidad molar de la sal correspondiente en agua pura, de acuerdo con la estequiometría de los equilibrios de disolución, tenemos: CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq + s + s s s Al sustituir estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ) y despejar el valor de s, resulta: K s [Ca + ] [ C ] (s) (s) s 8,59 5 s K 5, mol L b) El producto iónico inicial para el oxalato de magnesio en el riñón vale: Q s [Mg + ] [ C ] (,) (,5) 7, pks Por otra parte, el producto de solubilidad (K s ) del MgC es: K s,7 8,5 5 Dado que Q s > K s, sí se formará precipitado de MgC (s), lo que hace disminuir el producto iónico hasta alcanzar un valor final igual al de K s. s 8

.5 Una muestra de agua dura contiene, aproximadamente,, mol L de Ca +. Se le agrega NaF, una sal soluble que contiene iones fluoruro, para fluorar el agua. a) Calcula la cantidad máxima de ion F que puede estar presente en esa agua sin que precipite CaF. b) Se puede conseguir que el agua alcance el nivel de F recomendado ( mg de flúor por litro)? Dato. K s del CaF,9. a) La ecuación del equilibrio de solubilidad del CaF es: CaF (s) Ca + (aq) + F (aq) K s {[Ca + ] [F ] } eq Para que no se forme precipitado, el valor de Q s debe ser igual o inferior al producto de solubilidad (Q s K s). Por tanto, si [Ca + ], mol L, no se formará precipitado si: Q s [Ca + ] [F ] K s [F ] K [Ca s + ],9,, mol L En consecuencia, la máxima concentración de F posible es, mol L. b) El máximo nivel de F recomendado, expresado en moles por litro, es: - - 5 (mg F ) (g) (mol F ) 5, - (L) (mg) 9, (g F ) mol L Dado que esta concentración es inferior a la concentración máxima de F para que no precipite CaF, sí se puede conseguir que el agua con la concentración de calcio dada (, mol L ) alcance el nivel recomendado..6 Los compuestos de plomo y de cinc con frecuencia se encuentran juntos en la naturaleza, ya que las solubilidades de sus sales son similares. Por ejemplo, el K s del Pb() es,8 6 y el del Zn() es,5 7. Si un agua subterránea, de p 6,, contiene Pb + y Zn +, ambos con concentración de, 6 mol L, precipitará Pb() o Zn()? La concentración de iones hidróxido puede obtenerse a partir del valor del p: p + p, p, 6, 8, p log [ ] [ ] 8,, 8 mol L Las ecuaciones de los equilibrios heterogéneos de solubilidad del hidróxido de plomo, Pb(), y del hidróxido de cinc, Zn(), en agua son, respectivamente: El producto iónico inicial para el Pb() (II) es: Pb() (s) Pb + (aq) + (aq) Zn() (s) Zn + (aq) + (aq) Q s [Pb + ] [ ] (, 6 ) (, 8 ), Dado que Q s, < K s,8 6, no se formará precipitado de Pb() (s). Para el Zn(), el producto iónico inicial es: Q s [Zn + ] [ ] (, 6 ) (, 8 ), Puesto que Q s, < K s,5 7, tampoco se formará precipitado de Zn() (s). 9

.7 El método de Mohr es una técnica para determinar la cantidad de ion cloruro en una muestra desconocida. Como indicador, se añaden unas pocas gotas de una disolución de K Cr y, luego, se mide el volumen de una disolución de AgN, de concentración conocida, que debe añadirse antes de que aparezca un precipitado rojo de Ag Cr. Dada una disolución, mol L en Cl y,5 mol L en Cr (procedentes del K Cr ), si añadimos una disolución, mol L de AgN gota a gota: a) Precipitará antes el AgCl (K s,6 ) o el Ag Cr (K s,9 )? b) Cuando aparezca el color rojo del Ag Cr, qué fracción del Cl inicial permanecerá en la disolución? a) Los equilibrios de solubilidad para el cloruro de plata (AgCl) y el cromato de plata (Ag Cr ) son, respectivamente: AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) K s,6 Ag Cr Ag + (aq) + En una disolución en la que [Cl ], mol L y [ Cr Cr (aq) K s,9 ],5 mol L, precipitará AgCl cuando: Q s [Ag + ] [Cl + Ks,6 ] > K s [Ag ] > [Cl ], Sin embargo, precipitará Ag Cr si:,6 9 mol L Q s [Ag + ] [ Cr ] > K s [Ag ] > + K [Cr s ],9,5,8 5 mol L Por tanto, precipitará antes el AgCl, ya que para ello se requiere una concentración de ion Ag + menor que para que empiece a precipitar el Ag Cr. b) El color rojo aparece cuando empieza a precipitar el Ag Cr, es decir, la precipitación comienza cuando la concentración de iones plata supera el valor de,8 5 mol L. Por otra parte, cuando [Ag + ],8 5 mol L, ya hay precipitado de AgCl, de modo que: Q s [Ag + ] [Cl Ks,6 ] K s [Cl ] + [Ag ],8 5 5,7 6 mol L Es decir, cuando empieza a precipitar el Ag Cr, hecho revelado por la aparición del color rojo, casi todo el Cl (aq) presente en la disolución inicial se encuentra precipitado en forma de AgCl. La fracción que continúa disuelta es: 6 [ Cl (aq)] f 5,7 5 5,7 [Cl (aq)] o, Por tanto, solo el 5,7 % de los iones Cl (aq) presentes en la disolución inicial continúan en la disolución cuando empieza a precipitar el Ag Cr. Es decir, el 99,% de los iones Cl (aq) de la disolución inicial se encuentran como precipitado de AgCl en el momento en que va a empezar la precipitación del cromato de plata. APLICACINES DE LAS REACCINES DE PRECIPITACIÓN.8 El sulfuro de cadmio, CdS, es un sólido insoluble en agua, utilizado por Van Gogh, Monet y Matisse, entre otros artistas, como pigmento amarillo en sus pinturas. Propón una forma de preparar CdS a partir de nitrato de cadmio, Cd(N ), una sal soluble en agua. El sulfuro de cadmio (CdS) es una sal muy insoluble, mientras que el nitrato de cadmio (Cd(N ) ) y el sulfuro de sodio (Na S) son sales solubles. Por tanto, mezclando una disolución acuosa de Cd(N ) con otra de Na S (o con otro sulfuro soluble) se formará un precipitado de CdS, que se puede separar por filtración: Cd(N ) (aq) + Na S (aq) NaN (aq) + CdS (s)

.9 Tu profesor te entrega una disolución y te informa de que puede contener iones S o iones C. También te facilita disoluciones acuosas de BaCl y Cl. Cómo descubrirías cuál de los dos aniones, sulfato o carbonato, contiene la disolución desconocida? Se añade ácido clorhídrico (Cl). Si está presente el ion carbonato ( C carbono (C ). La ecuación de la reacción global es: C (aq) + Cl (aq) Cl (aq) + C (g) + (l) ) se forman burbujas de dióxido de tro procedimiento es añadir la disolución de cloruro de bario (BaCl ) para precipitar sulfato de bario (BaS ) o carbonato de bario (BaC ). Si contenía iones carbonato y se ha formado BaC, el precipitado se disuelve por un exceso de Cl, debido al carácter básico del anión carbonato: BaC (s) + Cl (aq) BaCl (aq) + C (g) + (l) Por el contrario, si la disolución contenía iones sulfato y se ha formado BaS, el precipitado no se disuelve al añadir Cl, ya que el ion sulfato no tiene carácter básico por ser la base conjugada de un ácido fuerte.. La concentración de iones Cu + (procedentes del CuS ) en el agua que descarga cierta planta industrial se determina agregando una disolución de sulfuro de sodio (Na S) en exceso a,8 L de agua. La ecuación molecular de la reacción de precipitación que tiene lugar es: Na S (aq) + CuS (aq) Na S (aq) + CuS (s) Escribe la ecuación iónica y calcula la concentración molar de Cu + en la muestra de agua sabiendo que se han formado,5 g de CuS sólido. Teniendo en cuenta que las sales solubles se encuentran totalmente disociadas en la disolución acuosa, la ecuación neta de la reacción de precipitación del CuS insoluble es: S (aq) + Cu + (aq) CuS (s) Los iones Na + y S son meros espectadores. En el enunciado del ejercicio se nos dan datos relativos a la masa de un producto A (CuS) y se nos pide información sobre los moles de un reactivo B (ion Cu + ). La cantidad de reactivo solicitada se calcula siguiendo el siguiente esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, dividimos por el volumen para obtener los moles por litro y obtenemos: +,5 (g CuS) (mol CuS) (mol Cu ) -,8 (L) 95,6 (g CuS) (mol CuS),6 mol L. Para determinar el contenido en yeso (CaS ) de un agua, puede añadirse una disolución de BaCl a una muestra de agua. Los iones Ba + forman con los iones S un precipitado de BaS que se separa por filtración y se pesa. Calcula el contenido en CaS de un agua mineral sabiendo que ml de esa agua dieron,7 g de BaS. La ecuación de la reacción que tiene lugar es: CaS (aq) + BaCl (aq) BaS (s) + CaCl (s) En el enunciado del ejercicio se nos dan datos relativos a la masa de un producto A (BaS ) y nos piden información sobre la masa de un reactivo B (CaS ). La cantidad de reactivo solicitada se calcula siguiendo el siguiente esquema: gramos A masa molar A moles A coeficientes ecuación moles B masa molar B gramos B Teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada y las masas molares correspondientes, obtenemos: (mol BaS ) (mol CaS ) 6,5 (g CaS ),7 (g BaS ),g CaS, (g BaS) (mol BaS) (mol CaS) El contenido en CaS, expresado en gramos por litro, es:, (g CaS ) (ml), g (ml) (L) L

. Una química analiza la posible presencia de los cationes Ag +, Zn + y Ba + en una disolución. Agrega Cl y parece que no ocurre nada. Luego burbujea S, ajustando el p a un valor de 9, y se forma un precipitado blanco. Entonces filtra el sólido, y adiciona Na C a la disolución y observa la formación de otro precipitado blanco. Qué iones informará como presentes en la disolución dada? El ion Ag + no puede estar presente, ya que, si fuera así, habría aparecido un precipitado blanco de cloruro de plata (AgCl) al añadir ácido clorhídrico (Cl). Descartado el ion plata (Ag + ) de los posibles iones restantes, Zn + y Ba +, solo el ion cinc forma un precipitado blanco al burbujear sulfuro de hidrógeno ( S) con el p igual a 9. En consecuencia, la aparición del precipitado revela la presencia de Zn + : Zn + (aq) + S (aq) ZnS (s) Eliminado el Zn +, en forma de ZnS que se retira al filtrar, solo podría quedar en disolución el ion Ba +. La aparición de un precipitado blanco al añadir carbonato de sodio (Na C ), una sal soluble, indica la existencia de Ba +, que forma el precipitado blanco de carbonato de bario (BaC ) observado. Ba + (aq) + Na C (aq) Na + (aq) + BaC (s). Una disolución de iones desconocidos del grupo I da un precipitado blanco con Cl. Al tratarlo con agua caliente, da una disolución a la que se añade K Cr y se forma un precipitado amarillo. El precipitado blanco que queda después del tratamiento con agua caliente se disuelve completamente en N. Qué iones están presentes y cuáles ausentes? Está presente el ion Pb + ya que el PbCl es el único cloruro del grupo I que se disuelve en agua caliente y + luego precipita como PbCr amarillo. El ion g está ausente, ya que el g Cl (que se habría formado si hubiera dicho catión) no se disolvería en N. El precipitado blanco que no se disolvió en agua caliente, pero sí en N, solo puede ser cloruro de plata (AgCl). Por tanto, sí está presente el ion Ag +. PRBLEMAS DE SÍNTESIS. Los nombres estalactita y estalagmita para las estructuras de las cuevas que crecen desde el techo hacia abajo y desde el suelo hacia arriba, respectivamente, derivan de la palabra griega gotear. De hecho, si se examina la punta de una estalactita, se encuentra una gota de líquido. El líquido es una disolución acuosa que tiene cationes Ca + y aniones C. C (g) + (l) + CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) a) Cuando la gota se evapora, qué ocurre con las concentraciones de Ca + y C? b) Qué predice el principio de Le Châtelier que debe ocurrir cuando se evapora el agua de la gota? c) Cómo se explica el crecimiento de las estalactitas y estalagmitas? a) Al evaporarse el agua, disminuye la cantidad de disolvente, de modo que la concentración de los solutos disueltos, Ca + (aq) y C (aq), aumenta. b) De acuerdo con el principio de Le Châtelier, al aumentar la concentración de Ca + (aq) y equilibrio: C (g) + (l) + CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) se desplaza hacia la izquierda, ya que en este sentido se consumen iones Ca + e iones contrarresta el aumento de sus concentraciones originado por la evaporación del disolvente. C (aq), el C, lo que c) El agua de lluvia que contenga dióxido de carbono (C ) es capaz de disolver el carbonato de calcio de los terrenos calizos según el equilibrio anterior. Sin embargo, cuando del techo de una cueva gotea agua que lleva disuelto Ca(C ), y aquella se evapora, dicho equilibrio se desplaza en el sentido inverso, como se ha explicado en el apartado anterior: C (g) + (l) + CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) Como resultado, se forma un depósito de carbonato de calcio (CaC ), el cual da lugar a las estalactitas y estalagmitas.

.5 El carbonato de calcio cristalizado, CaC, puede existir en dos formas minerales: calcita y aragonito. En agua pura, el primero tiene un K s de,8 9, mientras que el K s del segundo es 6, 9. a) Cuál de los dos minerales es más soluble en agua pura? b) En agua pura, se transformará espontáneamente la calcita en aragonito? Calcula la constante de equilibrio para esta transformación. a) Entre sales insolubles con la misma estequiometría (como es, obviamente el caso de la calcita y el aragonito), las solubilidades molares están relacionadas de la misma forma que los valores de sus productos de solubilidad (K s ). Es decir, la sal con mayor valor de K s tiene, también, la solubilidad mayor. En consecuencia, el aragonito (K s 6, 9 ) es más soluble que la calcita (K s,8 9 ). b) Las ecuaciones de los equilibrios heterogéneos de solubilidad de la calcita y del aragonito son: () CaC (calcita) Ca + (aq) + () CaC (aragonito) Ca + (aq) + C (aq) K K s (calcita) C (aq) K K s (aragonito) Si a la la ecuación () le restamos la ecuación (), obtenemos: () CaC (calcita) CaC (aragonito) K Como ec () ec () ec (), al aplicar las reglas de la reacción inversa y la de los equilibrios múltiples, tenemos: K K (K ) K K K Ks (calcita),8 Si aplicamos los valores dados, resulta: K, 6 9 K K (aragonito) 6,.6 Los antiguos romanos añadían sulfato de calcio al vino para aclararlo y eliminar el plomo disuelto. Si la concentración inicial de Pb + es, mol L, cuál es la concentración que permanece disuelta después de añadir un exceso de CaS? Datos. K s del CaS, 5 ; K s del PbS, 8 Las ecuaciones de los equilibrios heterogéneos de solubilidad del sulfato de calcio (CaS ) y del sulfato de sodio (PbS ) son: () CaS (s) Ca + (aq) + S (aq) K K s (CaS ) () PbS (s) Pb + (aq) + S (aq) K K s (CaS ) s 9 Al restar la ecuación () a la ecuación (), obtenemos: () CaS (s) + Pb + (aq) PbS (s) + Ca + (aq) K Si designamos x a los moles por litro de iones Pb + que precipitan al añadir un exceso de CaS, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio global anterior, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq CaS (s) + Pb + (aq) PbS (s) + Ca + (aq), x +x, x x Como ec () ec () ec (), al aplicar las reglas de la reacción inversa y la de los equilibrios múltiples, obtenemos: K K (K ) K K K Ks (CaS), Al aplicar los valores dados, resulta: K, 8 K K (PbS ), s + [Ca ] x Sustituimos en la expresión de K y obtenemos: K,8 + [Pb ], x eq Al resolver la ecuación de primer grado anterior, se obtiene, redondeado a dos cifras significativas: x, Dado el valor elevado de K, prácticamente precipita todo el Pb +. La concentración que permanece disuelta es: [Pb + [Ca ] K + ],,8,6 5 6 mol L

.7 El BaC es casi tan insoluble como el BaS ; sin embargo, una dosis de solo un gramo del carbonato es mortal, mientras que las papillas utilizadas para las radiografías del aparato digestivo, contienen varios gramos de sulfato de bario. a) Cómo se explica la distinta toxicidad de estas sales? b) Sugiere un antídoto en caso de ingestión de BaC. a) Aunque ambas sales tienen productos de solubilidad parecidos, de manera que sus solubilidades en agua pura son similares, en el medio fuertemente ácido del estómago, las solubilidades son muy diferentes. El ion sulfato no tiene carácter básico, ya que es la base conjugada de un ácido prácticamente fuerte. Por tanto, la solubilidad del sulfato de bario (BaS ) en un medio ácido es casi la misma que en agua pura. Por el contrario, el ion carbonato es una base moderada que reacciona casi totalmente con los iones hidronio. De acuerdo con el principio de Le Châtelier, en presencia de iones hidronio, el equilibrio de solubilidad: BaC (s) Ba + (aq) + C (aq) se desplaza hacia la derecha, para producir iones carbonato que compensen parcialmente los que se han eliminado en la reacción con los iones hidronio del ácido. En consecuencia, la solubilidad del BaC aumenta mucho al disminuir el p. b) Un antídoto para el BaC es el sulfato de sodio (Na S ), pues se forma BaS, que es, como se ha indicado, insoluble también en un medio ácido: El Na S debe administrarse con rapidez. BaC (s) + Na S (aq) BaS (s) + Na C (aq).8 Aunque parezca un contrasentido, una forma de eliminar los iones Ca + (aq) procedentes del Ca(C ) (aq) en las aguas duras es añadir cal apagada, Ca(). La razón estriba en que mol de Ca() produce mol de, que conducen a la formación de mol de C, los cuales precipitan mol de Ca + : uno procedente del Ca() añadido y el otro del agua dura. Escribe la ecuación de la reacción global entre el Ca() y el Ca(C ) y calcula el valor de su constante de equilibrio, K c, utilizando la ley de los equilibrios múltiples. Datos. K s del CaC 6, 9 ; K s del Ca() 7,9 6 ; K a del C,8 ; y K w,. Las ecuaciones de los equilibrios heterogéneos de solubilidad de la cal apagada (Ca() ) y del carbonato de calcio (CaC ) son: () Ca() (s) Ca + (aq) + (aq) K K s Ca() () CaC (s) Ca + (aq) + C (aq) K K s (CaC ) El ion carbonato es una base de Brønsted-Lowry que capta un protón del agua según el equilibrio: () C (aq) + (l) C (aq) + (aq) K K b ( C ) La ecuación de la reacción global pedida es: Ca() (s) + Ca(C ) (aq) CaC (s) + (aq) Teniendo en cuenta que el bicarbonato de calcio (Ca(C ) ) es una sal soluble que se encuentra totalmente disociada en iones Ca + e iones C, la ecuación anterior puede escribirse en forma iónica como: () Ca() (s) + Ca + (aq) + C (aq) CaC (s) + (aq) K Esta ecuación puede obtenerse, a partir de las tres reacciones anteriores, restando las ecuaciones () y () multiplicadas por dos a la ecuación (), es decir: Ec Ec Ec Ec

Si aplicamos la regla de los coeficientes y los equilibrios múltiples, resulta: K (K ) (K ) (K ) (K s K s (CaC (Ca() )) (K b ) (C )) Dado que el ion C es el ácido conjugado del ion K b ( C ) C, tenemos: K a K w ( C ) Si llevamos esta expresión a la ecuación anterior y sustituimos los valores de las constantes de equilibrio dados, obtenemos: 6 K s (Ca() ) (K s (Ca() )) (K a (C )) (7,9 ) (,8 ) 8 5, 9 (K s (CaC )) (K b (C )) (K s (CaC )) (K w ) (6, ) (, ) K El valor tan grande de K significa que añadiendo Ca() a una disolución de Ca(C ), los iones Ca + (aq), que contiene disueltos, se eliminan en forma de precipitado de CaC..9 Un paso crítico en el revelado de una película en blanco y negro es la eliminación del exceso de AgBr en el negativo de la película con el llamado hipo, una disolución de tiosulfato de sodio (Na S ), que forma el ion complejo [Ag(S ) ]. Calcula la solubilidad del AgBr en: a) Agua pura. b) Una disolución, mol L de Na S. Datos. K s del AgBr 5, ; K f del [Ag(S ) ],7 a) Si designamos s a la solubilidad molar del bromuro de plata (AgBr) en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: AgBr (s) Ag + (aq) + Br (aq) Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), resulta: K s [Ag + ] [Br ] (s) (s) s s K 5, 7, s 7 mol L Las ecuaciones de los equilibrios de solubilidad del AgBr y de formación del ion complejo [Ag(S ) ] son: () AgBr (s) Ag + (aq) + Br (aq) K K s 5, () Ag + (aq) + S (aq) [Ag(S ) ] (aq) K K f,7 Si sumamos las dos ecuaciones anteriores, obtendremos la ecuación global: () AgBr (s) + S (aq) [Ag(S ) ] (aq) + Br (aq) K La constante de equilibrio (K c ) de esta reacción global es: + {[Ag ] Br ] } Kf s K [Ag(S ) ][Br ] [Ag(S ) ] eq K + [S ] [S eq ] [Ag ] eq El valor de la K c se podría haber obtenido aplicando la regla de los equilibrios múltiples. Dado que la ecuación global es igual a la suma de las ecuaciones () y (), su K c es igual al producto de las K c de las reacciones () y (): Ec Ec + Ec K KEc KEc K fk s 5

El tiosulfato de sodio (Na S ) es una sal soluble que se ioniza totalmente, de manera que una disolución que sea, mol L de Na S contiene, mol L de iones Na + y, mol L de iones S. Si designamos x a la solubilidad molar del AgBr en la disolución dada, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de la reacción global, tenemos: AgBr (s) + S (aq) [Ag(S ) ] + Br (aq) Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq, x +x +x, x x x Al aplicar estos valores en la expresión de la constante de equilibrio, resulta: K [Ag(S ) ] [Br ] x x K f K s K f K s [S ] (, x), x eq Si utilizamos los valores de K f y K s dados y resolvemos esta ecuación de primer grado en x, obtenemos: x,5 mol L, es decir, se disuelven,5 mol de AgBr en un litro de disolución, mol L de Na S (aq)..5 El ion Au + forma con los iones cianuro un complejo muy estable, [Au(CN) ], que ha desempeñado un papel muy importante en la recuperación de oro a partir de rocas auríferas. Au + (aq) + CN (aq) [Au(CN) ] (aq) Calcula la solubilidad del cloruro de oro (I), AuCl, en una disolución, mol L de NaCN y compárala con su solubilidad en agua pura. Datos. K s del AuCl, ; K f del [Au(CN ], 8. Si llamamos s a la solubilidad molar del cloruro de oro (AuCl) en agua pura, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de disolución, tenemos: Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq AuCl (s) Au + (aq) + Cl (aq) +s +s s s Al aplicar estos valores en la expresión del producto de solubilidad (K s ), resulta: K s [Au + ] [Cl ] (s) (s) s s K s,,5 7 mol L Las ecuaciones de los equilibrios de solubilidad del AuCl y de formación del ion complejo [Au(CN) ] son: () AuCl (s) Au + (aq) + Cl (aq) K K s, () Au + (aq) + CN (aq) [Au(CN) ] (aq) K K f, 8 Al sumar las dos ecuaciones anteriores, obtenemos la ecuación global: () AuCl (s) + CN (aq) [Au(CN) ] (aq) + Cl (aq) K La constante de equilibrio (K c ) de esta reacción global es: + {[Au ] Cl ] } Kf s K [Au(CN) ][Cl ] [Au(CN) ] eq K + [CN ] [CN ] [Au ] eq eq K K f K s (, 8 ) (, ), 5 El valor de la K c se podría haber obtenido aplicando la regla de los equilibrios múltiples. Dado que la ecuación global es igual a la suma de las ecuaciones () y (), su K c es el producto de las K c de las reacciones () y (): Ec Ec + Ec K KEc KEc K fk s 6

El cianuro de sodio (NaCN) es una sal soluble que se ioniza totalmente, de manera que una disolución, mol L de NaCN contiene, mol L de iones Na + y, mol L de iones CN. Si designamos x a la solubilidad molar del AuCl en la disolución dada, de acuerdo con la estequiometría del equilibrio de la reacción global, tenemos: AuCl (s) + CN (aq) [Au(CN) ] (aq) + Cl (aq) Concentración inicial [ ] Cambio en la concentración Δ [ ] Concentración en el equilibrio [ ] eq, x +x +x, x x x Al aplicar estos valores en la expresión de la constante de equilibrio, obtenemos: K c [Au(CN) ][Cl ] [CN ] eq x (, x) K c, 5 x, x Si resolvemos esta ecuación de primer grado en x, resulta: x,5 mol L Como K c es muy grande, la reacción se encuentra totalmente desplazada hacia la derecha, de manera que: [CN ] eq, x x,5 mol L. Por tanto, se disuelven,5 mol de AuCl en un litro de disolución, de NaCN, mientras que solo se disuelven,5 7 mol de AuCl en L de agua pura. La solubilidad del cloruro de oro (I) en una disolución, mol L de NaCN es más de 5 veces mayor que en agua pura. 7

Reacciones de oxidación-reducción EJERCICIS PRPUESTS. En las siguientes reacciones, indica las sustancias que se oxidan y las que se reducen. Justifica tu respuesta de acuerdo con las definiciones dadas en este apartado. a) Na (s) + / (g) Na (s) b) Cu (s) + C (s) Cu (s) + C (g) c) (l) + / (g) (l) a) El sodio se oxida porque gana oxígeno y pierde electrones. En función del desplazamiento electrónico: el oxígeno se reducirá porque gana electrones. b) El cobre se reduce porque pierde oxigeno y el carbono se oxida porque lo gana. Según el desplazamiento electrónico: el cobre se reduce porque gana electrones y el carbono se oxida porque los pierde. c) El agua se oxida al ganar oxígeno y este se reduce porque gana hidrogeno. Conforme al desplazamiento electrónico: el agua se oxida porque pierde electrones y el oxigeno se reduce porque los gana.. El cinc reacciona con el ácido clorhídrico según la reacción: Zn (s) + Cl (aq) ZnCl (aq) + (g) a) Escribe la ecuación iónica neta. b) Justifica por qué esta reacción es una reacción redox. Escribe las semiecuaciones de oxidación y reducción correspondientes. Zn (s) Zn + (aq) + e - xidación + (aq) + e - (g) Reducción Zn (s) + + (aq) Zn + (aq) + (g) Ecuación iónica neta ajustada Es una reacción redox porque hay una semireacción de oxidación y otra de reducción: el cinc se oxida porque pierde electrones y el hidrogeno del ácido clorhídrico se reduce porque gana electrones.. Cuál es el oxidante y cuál el reductor en las reacciones siguientes? a) Mg (s) + + (aq) Mg + (aq) + (g) b) Zn(s) + Cu + (aq) Zn + (aq) + Cu/s) c) Cl (g) + I - (aq) I (aq) + Cl - (aq) xidante: a) + : b) Cu + ; c)cl Reductor: a) Mg; b) Zn; c) I -. Justifica desde el punto de vista electrónico qué especies se oxidan y cuáles se reducen en la reacciones: a) C (s) + (g) C (g) b) (l) + / (g) (l) Dato. La fórmula desarrollada del es. El carbono se oxida porque pierde electrones; El oxígeno se reduce porque gana electrones. El agua se oxida porque pierde electrones y el oxigeno se reduce porque los gana..5 Determina el número de oxidación de cada elemento de cada una de las siguientes fórmulas. a) c) Na e) S g) Mg i) b) NaBr d) N f) h) F j) KMn a) : c) Na: +; : e) S: +; : g) Mg: +; : + i) N: +5; : ; b) Na: +; Br: d) N: ; : + f) : +; : h) : +; F: j) K: +; Mn: +7; : N 8

.6 Justifica que la reacción Mn (aq) + 5 Fe + (aq) + 8 + (aq) 5 Fe + (aq) + Mn + (aq) + (l) es del tipo redox, indicando la especie que se oxida, la que se reduce, el oxidante y el reductor. Es una reacción redox porque hay una especie que se oxida y otra que se reduce. El manganeso se reduce porque disminuye su número de oxidación, pasa de +7 a +. El hierro se oxida porque aumenta su número de oxidación de + a +. El oxidante es el ión Mn - y el reductor el ión Fe +..7 Determina el número de oxidación del S en las especies químicas siguientes: Na S S S 8 SCl S S S S S a) Cuál es la especie química en la que el S está más reducido? b) En cuál o cuáles está más oxidado? c) En cuál no está ni oxidado ni reducido? Na S: ; S: ; S 8 : ; SCl :+; S :+; S :+6; S :+; S :+6 ; S :+6; a) Na S; S b) S ; S ; S c) S 8.8 Ajusta, por el método del número de oxidación, la ecuación: K Cr 7 + + S K + Cr 7 + S (Cr 6+ + e - Cr + ) Reducción (S S + + e - ) xidación Cr 6+ + S Cr + + S + Ecuación iónica neta ajustada K Cr 7 + + S K + Cr + S Ecuación molecular ajustada.9 Ajusta, por el método del número de oxidación, la ecuación: Cl + Mn Cl + MnCl + Cl - Cl + e - xidación Mn + + e - Mn + Reducción Cl - + Mn + Cl + Mn + Ecuación iónica ajustada Cl + Mn Cl + MnCl + Ecuación molecular ajustada. Ajusta la ecuación : Mn (aq) + Fe + (aq) + + (aq) Mn + (aq) + Fe + (aq) mediante el método del ion-electrón. 5 (Fe + (aq) Fe + (aq) + e - ) xidación Mn (aq) + 8 + (aq) + 5 e Mn + (aq) + (l) Reducción Mn (aq) + 5 Fe + (aq) + 8 + (aq) Mn + (aq) + 5 Fe + (aq) + (l) Ecuación iónica ajustada. Ajusta la ecuación : C (aq) + KMn (aq) CK (aq) + (l) + Mn (s) + K (aq) que transcurre en medio básico, por el método del ion-electrón. (C (aq)+ 5 - (aq) C - (aq) + (l) + e - ) xidación ( Mn (aq) + (l) + e - Mn (s) + - (aq)) Reduccion C (aq)+ Mn (aq) C - (aq) + (l) + Mn (s) + - (aq) Ecuación iónica ajustada C (aq) + KMn (aq) CK(aq) + (l) + Mn (s) + K (aq) Ec. molecular ajustada 9

. En disolución acuosa y medio ácido, el ion permanganato oxida al peróxido de hidrógeno a oxígeno molecular. El ion permanganato se reduce a ion manganeso (II). a) Escribe la ecuación iónica ajustada. b), cm de peróxido de hidrógeno se acidifican con un exceso de ácido sulfúrico y se valoran con una disolución, mol L - de permanganato de potasio. Para alcanzar el punto final se gastan, cm de esta disolución. Calcula la cantidad de peróxido de hidrógeno que hay en la muestra, su concentración en cantidad de sustancia y la concentración de la disolución. a) 5 ( + + + e - ) xidación ( Mn + 8 + + 5 e - Mn + + ) Reducción Mn + 6 + + 5 Mn + + 8 + 5 Ecuación iónica ajustada b) Los mol de KMn consumidos han sido: n V c, (L), (mol L - ), - mol KMn KMn Según la estequiometría de la reacción:, - 5 mol (mol de Mn ) - mol de mol Mn La masa de peróxido de hidrógeno será : m n M (mol) (g mol ), g La concentración de peróxido de hidrógeno es: n (mol) c, mol V,(L) L. Se necesitan,6 ml de disolución acuosa de K Cr 7 de concentración, mol L - (disolución de color naranja) para valorar 5, ml de otra disolución de SnCl (disolución incolora). La ecuación de la reacción redox que tiene lugar es: Cr - 7 (aq) + Sn + (aq) + + (aq) Cr + (aq) + Sn + (aq) a) Ajusta la ecuación de la reacción dada. b) Calcula la concentración de la disolución de SnCl. c) Qué cantidad de SnCl hay en ella? a) (Sn + (aq) Sn + (aq) + e - ) xidación Cr 7 (aq) + + (aq) + 6 e - Cr + (aq) + 7 (l) Reducción Cr 7 (aq) + Sn+ (aq) + + (aq) Cr + (aq) + Sn + (aq) + 7 (l) Ecuación iónica ajustada b) Los mol de K Cr 7 consumidos han sido: n KCr V c,6 - (L), (mol L - ),5 - mol K 7 Cr 7 Según la estequiometria de la reacción ajustada: + (mol Sn ),5 (mol Cr7 ) 7,56 - mol de Sn + (mol Cr7 ) La concentración de la disolución de SnCl es: n 7,56 (mol) c,moll V 5 (L) c) Qué cantidad de SnCl hay en ella? En la disolución hay 7,56 - mol de SnCl, por tanto la masa de SnCl es: m n M 7,56 (mol) 89,59(g mol ), g SnCl SnCl SnCl SnCl

. Dibuja el esquema de una pila basada en la reacción: Cu (s) + Ag + (aq) Cu + (aq) + Ag (s) Considera que las disoluciones son de nitrato de plata y de nitrato de cobre(ii) y escribe las ecuaciones de las semirreacciones que tienen lugar en cada semipila. Electrodo : oxidación Cu (s) Cu + (aq) + e - Electrodo : reducción Ag + (aq) + e - Ag (s).5 En la pila anterior, indica qué electrodo es el ánodo y cuál es el cátodo. Marca el sentido en que se mueven los electrones por el circuito externo y escribe la notación de la pila. La fem medida es +,6 V. Notación de la pila: Cu (s) Cu + (aq) Ag + (aq) Ag (s).6 Se construye una pila conectando una barra de cobre sumergida en una disolución de Cu + ( mol L - ) con una barra de cadmio sumergida en una disolución de Cd + ( mol L - ). Calcula la fem de esta pila. Datos. E +, V; E, V + + Cu / Cu Cd / Cd Como E + > E + Cu /Cu Cd /Cd el electrodo de Cu es el cátodo y en el se produce la reducción de los iones Cu + y el ánodo es el electrodo de Cd y en el se produce la oxidación obteniéndose cadmio metálico. E pila Cu Cd E cátodo E ánodo E + E + +, V (, V) +,7 V / Cu / Cd.7 Calcula la fem estándar de la siguiente pila: Pt I Fe + (aq), Fe + (aq) II Cl (g) I Cl - (aq) I Pt Datos. E o (Fe + /Fe + ) +,77 V; E o (Cl /Cl - ) +.6 V Como E - > E + + Cl/Cl Fe /Fe en el cátodo se produce la reducción del Cl gas y en el ánodo se produce la oxidación de los iones Fe + obteniéndose Fe +. E pila Cl / Cl Fe E cátodo E ánodo E E + + / Fe +,6 V,77 V +,59 V

.8 Predice si las reacciones siguientes son o no espontáneas en el sentido en que están escritas las ecuaciones. a) Zn + (aq) + Sn (s) Zn (s) + Sn + (aq) b) Cl (g) + I - (aq) Cl - (aq) + I (s) Representa para ambas el diagrama que permite calcular el E pila a partir de los potenciales estándar de reducción. Datos. E o (Zn + /Zn),76 V, E o (Sn + /Sn) -, V, E o (Cl /Cl - ) +,6V, E o (I /I - ) +,5 V a) La reacción redox en el sentido indicado, es la suma de dos semireacciones: Reducción (cátodo): Zn + (aq) + e - Zn (s) xidación (ánodo): Sn(s) Sn + (aq) + e - El diagrama de la pila que permitiría calcular el E pila sería: Sn (s) Sn + (aq) Zn + (aq) Zn (s) El E pila para esta reacción es: E E E E + E +,76 V (, V),6 V pila cátodo ánodo Zn / Zn Sn Este valor negativo indica que la reacción no es espontánea en el sentido que está escrita. b) La reacción dada es la suma de las dos semireacciones siguientes: Reducción (cátodo): Cl (g) + e - Cl - (aq) xidación (ánodo): I - (aq) I (s) + e - / Sn El diagrama de la pila que permitiría calcular el E pila sería: El E E pila para esta reacción valdría: pila E pila cátodo I - (aq) I (s) Cl (g) Cl - (aq) ánodo Cl / Cl I / I E E E E es positivo, por tanto, la reacción es espontánea en el sentido dado. +,6 V,5 V +,8 V.9 Se dispone de una lámina de cobre y de otra de plata, y de disoluciones acuosas de concentración, mol L - de sales de estos dos iones. Se quiere construir una pila. a) Escribe las semirreacciones de oxidación y de reducción y la reacción global de la pila. Qué electrodo es el ánodo y cuál es el cátodo? b) Representa la notación de la pila y calcula su fem. Cu /Cu Ag /Ag Datos. E +, V; E +,8 V + + a) Ánodo ( ): oxidación Cu (s) Cu + (aq) + e - Cátodo (+): reducción Ag + (aq) + e - Ag (s) Reacción global: Cu(s) + Ag + (aq) Cu + (aq) + Ag(s) b) Notación de la pila: Cu (s) Cu + (aq) Ag + (aq) Ag (s) Ag Epila Ecátodo Eánodo E + E +,8 V, V +,6 V / Ag Cu / Cu

. Escribe las ecuaciones de las semirreacciones y de la reacción global de la electrólisis de las siguientes sustancias. a) Bromuro de plomo(ii) fundido. b) Disolución de yoduro de potasio. Dato. Se sabe que el ion I - (aq) tiene un potencial de oxidación mayor que el del agua neutra a) Ánodo (+): oxidación Br - (l) Br (l) + e - Cátodo ( ): reducción Pb + (l) + e - Pb (l) Reacción global Pb + (l) + Br - (l) Pb (l) + Br (l) b) Ánodo (+): oxidación I - (aq) I (aq) + e - Cátodo ( ): reducción (l) + e - (g) + - (aq) Reacción global (l) + I - (aq) (g) + - (aq) + I (aq). Se realiza la electrólisis de una disolución acuosa de ZnCl. Durante cuánto tiempo debe estar circulando una corriente de, A para que se depositen en el cátodo 5, g de cinc? Dato. M Zn 65,9 g mol - La semireacción en el cátodo es: Zn + (aq) + e - Zn(s), 5(g Zn) Los mol de Zn que se depositan en el cátodo son : nzn,8 mol de Zn 65,9(gmol ) Los mol de electrones que circulan por la cuba electrolítica son: n e- n Zn Z,8 (mol),76 mol e -. Q Como n e, podemos calcular la carga eléctrica: Q n e- F,76 (mol) 9,65 (C mol - ) 7788 C F También la carga eléctrica se puede expresar: Q I t, por tanto: Q 7788 (C) t 689 s I, (A). Qué volumen de cloro medido a ºC y 5 Pa se produce cuando se hace pasar una corriente eléctrica de, A durante horas a través de cloruro de sodio fundido? Datos. R 8, J K mol - ; V m (º C, 5 Pa),7 L mol - La semireacción en el cátodo es: Cl (g) + e - Cl - (aq) La carga eléctrica se puede calcular : Q I t, (A) 7 (s) 6 C Los moles de electrones que circulan serán: n e Q 6 (C) F 9,65 (C mol n e, (mol) Calculamos los moles de cloro: ncl, mol Cl Z El volumen de cloro en las condiciones indicadas será: V nr T,(mol) 8,(JK mol 5 p (Pa) ) 7 (K),5, mol ) m de electrones,5 litros. Teniendo en cuenta los potenciales de electrodo de reducción de los pares Ag + / Ag (+,8 V), Mg + / Mg (,7 V), Fe + /Fe (, V), Sn + /Sn (, V), razona cuáles de los metales siguientes puede usarse como ánodo de sacrificio: plata, magnesio, estaño Se usará como ánodo de sacrificio, aquel metal que se oxide en vez del hierro. Se oxidará el metal que tenga un potencial de reducción menor que el del Fe + / Fe, es decir el magnesio.

. Dibuja una cuba electrolítica que se pudiera utilizar para galvanizar con cinc un objeto de hierro. Calcula la carga eléctrica necesaria para recubrir el objeto con,5 g de cinc Zn + + e - Zn Z e -,5(g Zn) nzn,5 mol de Zn 65,9(gmol ) n e- n Zn Z,5 (mol) 6,5 mol e -. Q n e- F 6,5 (mol) 9,65 (C mol - ) 675 C EJERCICIS Y PRBLEMAS EVLUCIÓN DEL CNCEPT DE XIDACIÓN-REDUCCIÓN. UNA DEFINICIÓN MÁS AMPLIA DEL CNCEPT XIDACIÓN-REDUCCIÓN.5 En las siguientes reacciones redox, indica qué elemento se oxida y qué elemento se reduce, desde el punto de vista de la ganancia o pérdida de oxígeno, o de la ganancia o pérdida de hidrógeno. Téngase en cuenta que la combinación del oxígeno libre (dioxígeno) con otro elemento supone una reducción del oxígeno. a) Pb (s) + C (g) Pb (s) + C (g) b) C (s) + (g) C (g) c) C (g)+ (g) C (l) d) C (g) + (g) C (g) + (l) a) El plomo se reduce porque pierde oxígeno, el carbono se oxida porque lo gana b) El carbono se oxida porque gana oxígeno y por tanto el oxígeno se reducirá c) El carbono se reduce porque gana hidrógeno y el hidrógeno se oxida porque gana oxígeno. d) El carbono se reduce porque gana hidrógeno y el hidrógeno se oxida porque gana oxígeno..6 Añade los electrones en el lado apropiado de las siguientes semirreacciones para igualarlas eléctricamente y describe el proceso como una oxidación o como una reducción. a) Na Na + b) + c) - d) Cl Cl - a) Na Na + + e - xidación b) + + e - xidación c) + e - - Reducción d) Cl + e - Cl - Reducción

.7 Razona, desde el punto de vista electrónico, cuál es el elemento que se oxida y cuál es el que se reduce en las siguientes reacciones. a) Zn (s) + (g) Zn (s) b) Fe (s) + Cl (g) FeCl (s) c) Zn (s) + + (aq) Zn + (aq) + (g) d) Zn (s) + Cu + (aq) Zn + (aq) + Cu (s) Desde el punto de vista electrónico, se oxidará el elemento que pierda electrones y el que gane electrones se reducirá, por tanto: a) Se reduce el oxígeno y se oxida el cinc. b) Se reduce el cloro y se oxida el hierro. c) Se reduce el ión + y se oxida el cinc. d) Se reduce el Cu + y se oxida el cinc..8 Razona, desde el punto de vista electrónico, por qué se han oxidado o reducido los elementos que participan en las reacciones del ejercicio 5. Ten en cuenta que el oxígeno es el elemento más electronegativo de todos los que aparecen y que basta con una separación parcial de los electrones para que podamos considerar que un átomo se ha oxidado. En el caso de las sustancias moleculares, es aconsejable escribir la fórmula desarrollada para poder apreciar mejor el desplazamiento de los electrones que forman los enlaces Desde el punto de vista electrónico, un elemento se oxida cuando sufre una pérdida total o parcial en el control de los electrones de valencia y un elemento se reduce cuando sufre una ganancia total o parcial en el control de los electrones de valencia, por tanto: a) El plomo se reduce y el carbono se oxida. b) El carbono se oxida y el oxígeno se reduce. c) El carbono se reduce y el hidrógeno se oxida. d) El carbono se reduce y el hidrógeno se oxida..9 Indica qué especie química es la oxidante y cuál es la reductora en las ecuaciones que aparecen en los ejercicios 5 y 7. Soluciones ejercicio 5: xidante Reductor a) Zn b) Cl Fe c) + Zn d) Cu + Zn Soluciones ejercicio 7: xidante Reductor a) Pb C b) C c) C d) C 5

. Escribe las ecuaciones en forma iónica neta de las siguientes reacciones redox. A continuación escribe las semiecuaciones de oxidación y de reducción. a) Cl (g) + Na (s) NaCl (s) b) Mg (s) + Cl (aq) MgCl (aq) + (g) c) Zn (s) + CuS (aq) ZnS (aq) + Cu (s) d) Cl (g) + NaBr (aq) NaCl (aq) + Br (l) e) Cu (s) + AgN (aq) Cu(N ) (aq) + Ag (s) a) Ecuación iónica neta: Cl (g) + Na (s) Cl - (s) + Na + (s) Reducción. Cl (g) + e - Cl - (s) xidación. Na (s) Na + (s) + e - b) Ecuación iónica neta: Mg (s) + + (aq) + Cl - (aq) Mg + (aq) + Cl - (aq) + (g) Reducción. + (aq) + e - (g) xidación. Mg (s) Mg + (aq) + e - c) Ecuación iónica neta: Zn (s) + Cu + (aq) + S - (aq) Zn + (aq) + S - (aq) + Cu (s) Reducción. Cu + (aq) + e - Cu (s) xidación. Zn (s) Zn + (aq) + e - d) Ecuación iónica neta: Cl (g) + Na + (aq) + Br - (aq) Na + (aq) + Cl - (aq) + Br (g) Reducción. Cl (g) + e - Cl - (aq) xidación. Br - (aq) Br (g) + e - e) Ecuación iónica neta: Cu (s) + Ag + (aq) + N - (aq) Cu + (aq) + N - (aq) + Ag (s) Reducción. Ag + (aq) + e - Ag (s) xidación. Cu (s) Cu + (aq) + e -. Indica cuál es la especie oxidante y cuál es la especie reductora en cada una de las reacciones del ejercicio xidante Reductor a) Cl Na b) + Mg c) Cu + Zn d) Cl Br - e) Ag + Ag 6

NÚMER DE XIDACIÓN. Cuál es el número de oxidación de los elementos subrayados en las moléculas e iones siguientes? a) S 8 f) N b) P g) N 5 c) P 5 h) N d) Cl i) e) Li j) Cr Cr 7 a) ; b) ; c) +5; d) +; e) ; f) +; g) +5; ; h) +5; i) +6; j) +6;. Cuál es el número de oxidación del nitrógeno en cada uno de los siguientes iones o moléculas? N, N, N, N, N, N, N, N a) Cuál es la especie química en la que el N está más reducido? b) En cuál está más oxidado? c) En cuál no está ni oxidado ni reducido? Deducimos los números de oxidación: a) N b) N c) N N, + + + N, N, N, N, N, N + 5, N. Cuál es el número de oxidación del C en los siguientes compuestos? C, C C, C C, CC, C C, C C, C C, CC, C C, C + C, C + C C, C, + C C, + C C, + C CC, C C,.5 En las siguientes reacciones redox, indica qué elemento se oxida y cuál se reduce. Indica cuál es el agente oxidante y cuál el agente reductor. a) Pb (s) + C (g) Pb (s) + C (g) b) Cu (s) + N (g) Cu (s) + (l) + N (g) c) Mg (s) + S (aq) MgS (aq) + (g) d) Mn (s) + Cl (aq) MnCl (aq) + (l) + Cl (g) a) Se oxida el carbono del C, pues pasa de n.º de oxidación + a + y por tanto será el reductor. Se reduce el plomo del Pb pues pasa de n.º de oxidación + a y por tanto será el oxidante. b) Se oxida el nitrógeno del N, pues su n.º de oxidación cambia de a y será el reductor Se reduce el cobre de Cu, su n.º de oxidación cambia de + a, y será el oxidante. c) Se oxida el Mg, su nº de oxidación pasa de a +, será el reductor Se reduce el hidrógeno del S, su n.º de oxidación cambia de + a, y será el oxidante. d) Se oxida el cloro del Cl, su n.º de oxidación cambia de a y por tanto será el reductor Se reduce el manganeso del Mn, su n.º de oxidación cambia de + a +, y por tanto será el oxidante. 7

.6 Cuáles de las siguientes reacciones son redox? Identifica, en las que sí lo sean, la especie que se oxida (reductor) y la especie que se reduce (oxidante). a) + (aq) + - (aq) (l) b) Ba + (aq) + S - (aq) BaS (s) c) S (g) + (l) S (l) d) Ca (s) + (l) Ca() (aq) + (g) e) Cr (aq) + + (aq) Cr 7 (aq) + (l) f) N (g) N (g) g) AgCl (s) + NaBr (aq) AgBr (s) + NaCl (aq) a) No es redox: no cambian los números de oxidación de ningún elemento, por tanto ninguna especie se oxida o se reduce b) No es redox: no cambian los números de oxidación de ningún elemento, por tanto ninguna especie se oxida o se reduce c) No es redox: no cambian los números de oxidación de ningún elemento, por tanto ninguna especie se oxida o se reduce d) El Ca se oxida su número de oxidación pasa de a +, será el reductor El hidrógeno del agua se reduce, su número de oxidación pasa de + a, será el oxidante. e) No es redox: no cambian los números de oxidación de ningún elemento, por tanto ninguna especie se oxida o se reduce f) No es redox: no cambian los números de oxidación de ningún elemento, por tanto ninguna especie se oxida o se reduce g) No es redox: no cambian los números de oxidación de ningún elemento, por tanto ninguna especie se oxida o se reduce. AJUSTE DE REACCINES REDX.7 En un control policial de alcoholemia, el conductor debe soplar a través de un tubo que contiene unos cristalitos naranjas de dicromato de potasio. Si el aire espirado lleva vapores de etanol (alcohol etílico), los cristalitos se vuelven verdes. La reacción producida es: C C (g) + K Cr 7 (s) + S (l) C C (l) + Cr (S ) (s) + K S (s) + (l) naranja verde a) Ajusta la ecuación por el método del número de oxidación. b) Cuál es el agente oxidante? Cuál el reductor? + + + + + 6 + + 6 + + + + + 6 + + 6 + a) C C (g) + K Cr (s) + S (l) C C (l) + Cr (S ) (s) + K S (s) + (l) 7 (C ( ) C (+) + e - ) xidación (Cr (+6) + e - Cr (+)) Reducción C (-) + Cr (+6) C (+) + Cr (+) Ecuación iónica ajustada C C (g) + K Cr 7 (s) + 8 S (l) C C (l) + Cr (S ) (s) + K S (s) + (l) b) El agente oxidante es aquel que sufre la reacción de reducción: K Cr 7. El agente reductor es aquel que sufre la reacción de oxidación: C C 8

.8 Completa e iguala las siguientes ecuaciones de reacciones redox en solución ácida por el método del ionelectrón. a) + I - I + b) 7 Cr + S Cr + + S a) I - I + e - xidación + + + e - Reducción + + + I - + I b) Cr 7 + + + 6 e - Cr + + 7 Reducción ( S + S + + + e - ) xidación Cr + S + 8 + Cr + + 7 S +.9 Completa e iguala las ecuaciones de las siguientes reacciones redox en solución básica, por el método del ion -electrón. a) S + Cl S + Cl - b) Cl + Na NaCl + NaCl a) Cl + e - Cl - Reducción S + - S + + e - xidación S + Cl + - S + Cl - + b) Cl + e - Cl - Reducción Cl + - Cl - + + e - xidación Cl + - Cl - + Cl - + Cl + Na NaCl + NaCl +. El peróxido de hidrógeno puede actuar como reductor, oxidándose a. Sin embargo, se trata de un reductor bastante débil y solo puede reducir a los oxidantes más enérgicos. Por ejemplo, el reduce el ion permanganato a ion manganeso (II) si el medio es ácido, o a dióxido de manganeso si el medio es básico. Escribe y ajusta las dos ecuaciones iónicas correspondientes a la reducción del agua oxigenada en medio ácido y en medio básico. Nota. En medio básico, el se encuentra disociado en forma de ion. Ajuste en medio ácido: Ajuste en medio básico: 5 ( + + + e - ) + + ( Mn + 8 + 5 e Mn + ) 5 + Mn - + 6 + 5 + Mn + + 8 ( + + + e ) (Mn + + e Mn + Mn + + Mn + + 5 ) 9

VALRACINES REDX. CÁLCULS EN REACCINES REDX.. Al reaccionar el estaño con el ácido nítrico, el estaño se oxida a Sn y se desprende N. a) Escribe la ecuación ajustada de la reacción. b) Si el estaño forma parte de una aleación y de, kg de la misma se obtienen,8 kg de dióxido de estaño, halla el porcentaje de estaño en la aleación a) ( Sn + Sn + + + e ) + ( N + + e N ) + + N + Sn + Sn + N + N + Sn Sn + N + m 8(g) b) nsn,5 mol Sn M 5,69 (gmol ) Sn Según la estequiometría de la reacción con mol de estaño se obtienen también mol de dióxido de estaño, por tanto, para obtener,5 mol se necesitarán los mismos de estaño. msn nsn MSn,5 (mol) 8,69 (g mol ),88 g Sn Como tenemos g de aleación, el porcentaje de estaño en la misma es.,88 (g Sn) (g aleación),9% Sn (g aleación). En una farmacia se compró un frasco de agua oxigenada (diluida en agua). Una muestra de, g, tomada de dicho frasco, se acidificó con ácido sulfúrico y luego se valoró con una disolución, mol L - de KMn, necesitándose 7,6 ml de esta. (El se oxida a y el Mn -, se reduce a Mn + ). a) Escribe la ecuación iónica ajustada de la valoración. b) Cuál es la masa de que ha reaccionado con el permanganato? c) Qué porcentaje, en masa, de agua oxigenada contiene el frasco comprado en la farmacia? a) Ajustamos la reacción en medio ácido: 5 ( + + + e - ) + + ( Mn + 8 + 5 e Mn ) + 5 + Mn - + 6 + 5 + Mn + + 8 Ecuación ajustada: 5 + KMn + S 5 + MnS + K S + 8 b) nkmn, (moll ),76 (L),5 mol KMn Según la estequiometría de la reacción mol de KMn reaccionan con 5 mol de, por tanto: 5mol,5 molkmn 8,8 mol KMn n mol reaccionan m n M 8,8 (mol) (gmol ), g reaccionan c) Como tenemos, g de muestra y reaccionan, g de, el porcentaje es :,(g ) (g muestra) %, (g muestra)

. Las disoluciones reductoras de iones tiosulfato (S - ) pueden ser usadas para valorar agentes oxidantes como el iodo, I (aq). Durante la valoración el ion tiosulfato se oxida a ion tetrationato, S - 6. Mediante esta reacción podemos, por ejemplo, valorar el cloro, Cl (aq), de una disolución, añadiendo I - (aq) en exceso a la solución de cloro: Cl (aq) + I - (aq) Cl - (aq) + I (aq) y valorando con S - (aq) el I producido: S (aq) + I (aq) I - (aq) + S 6 (aq) Se toma una muestra de, ml de una disolución de cloro, se añade KI en exceso y se valora el I producido, utilizando almidón como indicador. Si se gastan 5, ml de una disolución de S -, mol L - hasta hacer desaparecer el color azul de la disolución, cuál es la concentración de cloro de la disolución inicial? n S, (moll ),5(L),5 mol S Según la estequiometría de la reacción mol de S - reaccionan con mol de I, por tanto (moli ) 5 ni,5 (mol S ) 7,6 mol I reaccionan (mol S ) Fijándonos en la primera reacción para obtener mol de I, necesitamos mol de Cl, entonces: n Cl n I 7,6 5 molcl c n.º moles V 5 7,6 (mol I, (L) ),8 mol L PILAS GALVÁNICAS. Considera una pila en la que se produce la siguiente reacción: Pb (s) + Cu + (aq) Pb + (aq) + Cu (s) a) Escribe las semiecuaciones de las semirreacciones que tienen lugar en cada semipila. b) Dibuja un esquema de la pila. Indica el ánodo y el cátodo, el sentido de movimiento de los electrones en el circuito externo y el movimiento de los iones en la solución y en el puente salino. c) Escribe la notación de la pila a) Ánodo (oxidación): Pb (s) Pb + (aq) + e - Cátodo (reducción): Cu + (aq) + e - Cu (s) b) Esquema de la pila: c) Notación de la pila: Pb (s) Pb + (aq) Cu + (aq) Cu (s)

.5 Escribe las ecuaciones de las semirreacciones y la ecuación de la reacción global que se producen en las pilas siguientes e indica cuáles son el ánodo y el cátodo. a) Ni (s) I Ni + (aq) II Cl (g) I Cl - (aq) I Pt b) Zn (s) I Zn + (aq) II Fe + (aq), Fe + (aq) I Pt c) Pt I I - (aq), I (aq) II [ (g) + + (aq)], (l) I Pt a) Ánodo (oxidación): Ni (s) Ni + (aq) + e - Cátodo (reducción): Cl (g) + e - Cl - (aq) Reacción global: Cl (g) + Ni (s) Ni + (aq) + Cl - (aq) b) Ánodo (oxidación): Zn (s) Zn + (aq) + e - Cátodo (reducción): Fe + (aq) + e - Fe + (aq) Reacción global: Fe + (aq) + Zn (s) Zn + (aq) + Fe + (aq) c) Ánodo (oxidación): I - (aq) I (aq) + e - Cátodo (reducción): + (g) + (aq) + e (l) + Reacción global: (g) + (aq) + I (aq) (l) + I (aq).6 Dibuja el esquema de una pila basada en la reacción siguiente y escribe su notación: Sn + (aq) + Fe + (aq) Sn + (aq)+ Fe + (aq) Notación de la pila: Sn + (aq) Sn + (aq) Fe + (aq) Fe + (aq)

PTENCIAL ESTÁNDAR DE REDUCCIÓN. CÁLCUL DE LA FEM DE UNA PILA. PREDICCIÓN DE REACCINES REDX..7 bserva las semirreacciones siguientes y sus potenciales estándar de reducción. Semirreacción E o (V) Cl (g) + e - Cl - (aq) +,6 Br (l) + e - Br - (aq) +,9 Fe + (aq) + e - Fe + (aq) +,77 I (aq) + e- I - (aq) +,5 + (aq) + e - (g), Pb + (aq) + e- Pb (s) -, Fe + (aq) + e- Fe (s) -, Zn + (aq) + e- Zn (s) -,76 Al + (aq) + e- Al (s) -,66 Mg + (aq) + e- Mg (s) -,7 a) Qué semipila se utiliza como referencia para determinar estos potenciales de reducción? b) Qué significa que sean potenciales estándar? c) Qué especie química de la tabla es el agente oxidante más fuerte y cuál el agente reductor más fuerte? d) Qué especies químicas pueden oxidar los iones I - (aq) a yodo? e) Escribe la ecuación de la reacción que se producirá si se coloca un clavo de hierro en una solución de sulfato de hierro (II). a) Por acuerdo internacional, el electrodo de referencia es el electrodo estándar de hidrógeno. La semireacción de la semipila será: + (aq) + e - (g) b) Que la concentración de todos los iones implicados en la reacción es, mol L -, la presión de los gases es de 5 Pa y la temperatura 5ºC. c) El agente oxidante más fuerte es el que tenga mayor potencial estándar de reducción, por tanto el Cl (g). El agente reductor más fuerte será el que tenga menor potencial estándar de reducción, es decir el Mg (s). d) Las especies químicas capaces de oxidar los iones I - (aq) a I, serán aquellas que tengan un potencial estándar de reducción mayor que E (I /I - ) +,5 V. Estas son: Cl (g), Br (l) y Fe + (aq). e) Al colocar un clavo de hierro en solución acuosa, el agua será capaz de oxidar el clavo de hierro puesto que: E ( / + - ) -, V > E (Fe + /Fe) -, V, las semireacciónes que tendrán lugar serán: Ánodo (oxidación): Fe (s) Fe + (aq) + e - Cátodo (reducción): (l) + e - (g) + - (aq) Reacción global: (l) + Fe (s) Fe + (aq) + - (aq) + (g)

.8 Utilizando los datos de la tabla de potenciales estándar de reducción, determina: a) Un agente reductor capaz de reducir los iones Zn + (aq) a Zn(s), pero no los Mg + (aq) a Mg (s). b) Un agente oxidante capaz de oxidar los iones I - (aq) a I (aq), pero no los iones Cl - (aq) a Cl (g). a) El agente reductor será aquel que tenga un potencial estándar de reducción mayor que E o (Mg + /Mg) -,7 V y menor que E o (Zn + /Zn),76 V y corresponde al aluminio puesto que E (Al + /Al),66 V. b) El agente oxidante será aquel que tenga un potencial estándar de reducción mayor que E (I /I - ) +,5 V y menor que E (Cl /Cl - ) +,6 V y corresponden a: Br (l) o al ión Fe + (aq)..9 Razona cuáles de las siguientes reacciones se producen espontáneamente en condiciones estándar, comparando los potenciales estándar de reducción de las semirreacciones. a) Mg (s) + + (aq) Mg + (aq) + (g) b) Ag + (aq) + Sn (s) Ag (s) + Sn + (aq) c) Pb + (aq) + Fe + (aq) Pb (s) + Fe + (aq) d) Br (l) + Cl - (aq) Br - (aq) + Cl (g) Datos. E o (Ag + /Ag) +,8 V; E o (Sn + /Sn) -, V; E o (Pb + /Pb), V; E o (Fe + /Fe + ) +,77 V; E o ( Br /Br - ) +,9 V; E o (Mg + /Mg),7 V a) La reacción redox en el sentido indicado, es la suma de dos semireacciones: Reducción (cátodo): + (aq) + e - (g) E ( + / ), V xidación (ánodo): Mg (s) Mg + (aq) + e - E o (Mg + /Mg),7 V Como el valor del potencial estándar de reducción E ( + / ), V es mayor que el correspondiente a E o (Mg + /Mg),7 V, indica que los iones +, son capaces de oxidar el Mg (s) a Mg + y por tanto la reacción será espontánea en el sentido indicado. El E pila para esta reacción valdría: E pila cátodo ánodo / Mg E E E + E + / Mg, V (,7 V) +,7 V Este valor positivo indica que la reacción es espontánea en el sentido que está escrita. b) La reacción redox en el sentido indicado, es la suma de dos semireacciones: Reducción (cátodo): Ag + (aq) + e - Ag (s) E o (Ag + /Ag) +,8 V xidación (ánodo): Sn (s) Sn + (aq) + e - E o (Sn + /Sn), V Como el valor del potencial estándar de reducción E o (Ag + /Ag) +,8 V es mayor que el correspondiente a E o (Sn + /Sn), V, indica que los iones Ag +, son capaces de oxidar el Sn (s) a Sn + y por tanto la reacción será espontánea en el sentido indicado. El E pila para esta reacción valdría: Ag Sn Epila Ecátodo Eánodo E + E +,8 V (, V) +,9 V Este valor positivo indica que la reacción es espontánea en el sentido que está escrita / Ag / Sn c) La reacción redox en el sentido indicado, es la suma de dos semireacciones: Reducción (cátodo): Pb + (aq) + e - Pb (s) E o (Pb + /Pb), V xidación (ánodo): Fe + (aq) Fe + (aq) + e - E o (Fe + /Fe + ) +,77 V Como el valor del potencial estándar de reducción E o (Pb + /Pb) -, V es menor que el correspondiente a E o (Fe + /Fe + ) +,77 V, indica que los iones Pb + no son capaces de oxidar los iones Fe + y por tanto la reacción no será espontánea en el sentido indicado. La reacción espontánea será la inversa de la dada. d) La reacción redox en el sentido indicado, es la suma de dos semireacciones: Reducción (cátodo): Br (l) + e - Br - (aq) E (Br /Br - ) +,9 V xidación (ánodo): Cl - (aq) Cl (g) + e - E (Cl /Cl - ) +,6 V Como el valor del potencial estándar de reducción E (Br /Br - ) +,9 V es menor que el correspondiente a E (Cl /Cl - ) +,6 V, indica que el Br (l) no es capaz de oxidar los iones Cl - a Cl (g) y por tanto la reacción no será espontánea en el sentido indicado. La reacción espontánea será la inversa de la dada.

.5 Justifica si se producirá reacción en cada uno de los casos siguientes. En caso afirmativo, escribe la ecuación de la reacción y, en caso contrario, explica por qué no se produce. La concentración de las disoluciones es mol L -. a) Introducimos un trozo de cadmio en una disolución de sulfato de cinc. b) Introducimos un trozo de cinc en una disolución de sulfato de cadmio. c) Introducimos un trozo de plata en una disolución de ácido clorhídrico. d) Introducimos un trozo de cobre en una disolución de ácido nítrico. Datos. E o (Zn + /Zn) -,76 V; E o (Cd + /Cd) -, V; E o (Ag + /Ag) +,8 V; E o ( N (aq) + + (aq)/n(g) + (l) +.96 V; E o (Cu + /Cu) +, V a) Para que se produjera reacción el trozo de cadmio tendría que ser capaz de reducir a los iones Zn + a Zn metálico, para ello es necesario que E o (Zn + /Zn) > E o (Cd + /Cd). Sin embargo, observando los datos: E o (Cd + /Cd), V > E o (Zn + /Zn),76 V, y por tanto no se producirá reacción. b) Para que se produjera reacción el trozo de cinc tendría que ser capaz de reducir a los iones Cd + a Cd metálico, para ello es necesario que E o (Cd + /Cd) > E o (Zn + /Zn). bservando los datos: E o (Cd + /Cd) -, V > E o (Zn + /Zn),76 V, por tanto se producirá reacción: Ánodo (oxidación): Zn (s) Zn + (aq) + e - Cátodo (reducción): Cd + (aq) + e - Cd (s) Reacción global: Cd + (aq) + Zn (s) Zn + (aq) + Cd (s) c) Para que se produjera reacción el trozo de plata tendría que ser capaz de oxidar los iones Cl - a Cl (g), para ello es necesario que E o (Ag + /Ag) > E o (Cl /Cl - ). Sin embargo, observando los datos: E o (Ag + /Ag) +,8 V < E o (Cl /Cl) +,6 V, y por tanto no se producirá reacción. d) Para que se produjera reacción el trozo de cobre tendría que ser capaz de reducir a los iones N - a N (g), para ello es necesario que E o ( N /N) > E o (Cu + /Cu). bservando los datos: E o ( N /N) +,96 V > E o (Cu + /Cu) +, V, y por tanto se producirá reacción: Ánodo (oxidación): Cu (s) Cu + (aq) + e - Cátodo (reducción): N - (aq) + + (aq) + e - N (g) + Para ajustar la reacción, multiplicamos la reacción de oxidación por y la de reducción por y sumamos: Reacción global ajustada: N - (aq) + 8 + (aq) + Cu (s) Cu + (aq) + N (g) + (l). 5

ELECTRÓLISIS. CÁLCULS ELECTRLÍTICS..5 En la electrólisis del MgCl fundido se obtiene magnesio metálico y cloro. a) Dibuja la cuba electrolítica e indica el nombre y la polaridad del electrodo donde se obtiene el magnesio y del electrodo donde se desprende el cloro. b) Escribe las semiecuaciones de las semirreacciones que tienen lugar en cada electrodo y la ecuación de la reacción global. a) (+) ( _ ) b) Cl e Cl Cl e Cl Cl Mg + e Mg Pila b) Ánodo (-): oxidación Cl - (l) Cl (g) + e - Cátodo (+): reducción Mg + (l) + e - Mg (s) Reacción global: Cl - (l) + Mg + (l) Cl (g) + Mg (s).5 Se hace la electrólisis de una disolución acuosa concentrada de CuCl. a) Qué semirreacción se produce en el ánodo? Y en el cátodo? b) Escribe la ecuación de la reacción global. Datos. E( / ), V; E o (Cl /Cl - ) +,6 V; E o (Cu + /Cu) +, V; E( / ) +,8 V a) En el cátodo, tiene lugar la reacción de reducción y al hacer la electrólisis podrá reducirse el agua o los iones Cu +. Reaccionará con mayor facilidad la especie química que sea más fácil de reducir, es decir la que tenga un potencial de reducción mayor. Como E o (Cu + /Cu) +, V > E( / ), V, en el cátodo se reducirán los iones Cu + En el ánodo reaccionará con mayor facilidad la especie química que sea más fácil de oxidar, es decir la que tenga un potencial de reducción menor. El potencial de la reacción del ión cloruro es +,6 V y cabria esperar que fuera el oxígeno el que se desprendiera. Pero en la práctica, el sobrepotencial para el oxígeno es más alto que para el cloro y el producto que se obtiene es cloro gaseoso. Las semireacciones serían: Cátodo (reducción) Cu + (aq) + e - Cu (s) Ánodo (oxidación) Cl - (aq) Cl (g) + e - b) La ecuación global será: Cu + (aq) + Cl - (aq) Cl (g) + Cu (s) 6

.5 Indica cuál es la cantidad de electrones (moles de e - ) que se necesitan para producir las siguientes reducciones: a) mol de iones Zn + a Zn b) mol de a c) mol de Mn a Mn + a) La reacción de reducción es : Zn + + e - Zn en dicha reacción están implicados electrones (Z ). Sabemos que: n e n metal Z (mol) (e - ) mol e - b) La reacción de reducción es: + e - ½ + - en dicha reacción está implicado electrón (Z ). Sabemos que: n e n metal Z (mol) e - mol e - c) La reacción de reducción es: Mn + 8 + 5e Mn + en dicha reacción están implicados 5 electrones (Z 5). Sabemos que: n e n metal Z (mol) 5 (e - ) 5 mol e - + +.5 Se electroliza ZnCl fundido con una corriente de, A, durante un tiempo determinado, y se depositan,5 g de Zn (s) en el cátodo. a) Escribe las semiecuaciones de las semirreacciones de reducción y oxidación que se producen y la ecuación de la reacción global. b) Cuánto tiempo dura el proceso? c) Qué volumen de Cl (g), medido a ºC y bar, se desprende en el ánodo? Dato. A r (Zn) 65, a) La semireacción en el cátodo (reducción) es: Zn + (l) + e - Zn (s) La semireacción en el ánodo (oxidación) es: Cl - (l) Cl (g) + e - La reacción global será: Zn + (l) + Cl - (l) Cl (g) + Zn (s) m,5(g) b) Calculamos los moles de Zn depositados: nzn,75 mol Zn M 65, (gmol ) La cantidad de electrones que circulan será: n e n Zn Z,75 (mol) (e - ),75 mol e - Podemos calcular la carga eléctrica: Q n e F,75 (mol e - ) 9,65 (C mol - ) 775 C Y finalmente el tiempo que dura el proceso: Q 775 (C) t 5 s I, (A) c) Según la estequiometría de la reacción global: ncl nzn,75 mol Cl El volumen de cloro en las condiciones indicadas será : V nrt,75(mol) 8,(JK mol 5 p (Pa) ) 7(K) 8,5 m 8,5 litros 7

.55 Se electroliza una disolución concentrada de cloruro de sodio, NaCl(aq). a) Escribe las semiecuaciones de las semirreacciones de oxidación y de reducción que tienen lugar y la ecuación de la reacción global. b) Calcula las masas de Na y de Cl que se obtendrán en cinco horas de electrólisis con una corriente de, A. a) En el ánodo tendrá lugar la oxidación de los iones Cl - y en el cátodo se producirá la reducción del agua. xidación (Ánodo): Cl - (aq) Cl (g) + e Reducción (Cátodo): (l) + e - + - (aq) Reacción iónica: (l) + Cl - (aq) Cl (g) + + - (aq) Reacción global: (l) + NaCl (aq) Cl (g) + + Na (aq) b) La carga electrica que pasa será: Q I t, (A) 8 (s) 5 C Los moles de electrones que circulan serán: Q 5(C) F 9,65 (Cmol n e,56 mol ) e n e,56 (mol) Calculamos los moles de cloro: ncl,8 mol Cl Z La masa de Cl será: mcl n M,8 (mol) 7(g mol ),98 g Cl Según la estequiometría de la reacción global, por cada mol de cloro gas obtenido, se producen dos mol de hidróxido de sodio: (mol Na) n Na,8 (mol Cl ),56 mol Na (mol Cl ) La masa de Na será: m Na n M,56 (mol) (g mol ), g Na.56 La corrosión del hierro en presencia de aire y humedad es de naturaleza electroquímica. Durante el proceso de corrosión se forma una pila galvánica. a) Escribe las semiecuaciones de las semirreacciones catódica y anódica. b) Razona cómo afecta el valor del p a la semirreacción de reducción a) Ánodo (oxidación): Fe Fe + + e - Cátodo (reducción): + + + e - b) Según el principio de Le Châtelier, un aumento de la concentración de + desplaza el equilibrio correspondiente a la semireacción de reducción hacia la derecha, es decir aumenta la tendencia del oxígeno a reducirse. Por tanto, cuando menor sea el p, mayor es la concentración de iones + y más fácilmente se reducirá el oxígeno. 8

.57 Si se fuera a aplicar un pequeño potencial al acero de un barco como medio de prevenir la corrosión, qué polaridad convendría aplicar: positiva o negativa? Explica por qué. Se pretende evitar la oxidación del hierro: Fe Fe + + e - Dicha reacción de oxidación tiene lugar en el ánodo que es el polo positivo. Por tanto para evitar dicha oxidación tendremos que aplicar una polaridad negativa y así provocaríamos que la reacción se desplazará hacia la izquierda: Fe + + e - Fe.58 Dibuja una cubeta electrolítica para galvanizar con cinc un objeto de hierro. Cuánta carga eléctrica se necesita para recubrir el objeto con,5 mol de Zn(s)? + Zn + e Zn Z e n n Z,5 (mol Zn) (e ) 6,5 mol e e Q n e metal F 6,5 (mol e ) 9,65 (C mol ) 675 C 9

Química descriptiva. Productos de interés industrial EJERCICIS PRPUESTS. Por qué los alcalinos y alcalinotérreos son agentes reductores tan fuertes? Razona tu respuesta en base a sus propiedades periódicas. Si estudiamos la configuración electrónica de los elementos de estos grupos, tenemos [gas noble] n s para los alcalinos, y [gas noble] n s para los alcalinotérreos. En base a la misma, tienen mucha tendencia a perder ó electrones de valencia, respectivamente, y de esta forma alcanzan la configuración del gas noble más próximo. Como ya se ha visto en la unidad, cuando un elemento pierde electrones, tiene un alto carácter reductor, es decir, es capaz de reducir a otro oxidándose él. Esto se refleja en las bajas energías de ionización que presentan: si nos movemos hacia la derecha y hacia arriba en el sistema periódico, la energía de ionización crece. Por tanto, los alcalinos y alcalinotérreos presentarán energías de ionización muy bajas. Por otro lado, en el sistema periódico el tamaño atómico aumenta hacia la izquierda y hacia abajo, por lo que, al ser átomos de radio atómico grande, los electrones externos están alejados del núcleo, el cual los atrae poco. De forma que pierden muy fácilmente los electrones de valencia reduciendo a otros compuestos.. El hidróxido de aluminio es insoluble en agua pero se disuelve tanto en disoluciones ácidas como básicas. Cómo se llaman las sustancias que pueden presentar carácter ácido o básico? Las sustancias anfóteras (anfóteros) presentan carácter ácido o base, en función de las condiciones de reacción, es decir, según la sustancia a la que se enfrenten.. El nitrógeno utiliza de forma anómala estados de oxidación comprendidos entre a +5. Identifica el que utiliza en los siguientes compuestos: hidracina (N ), ácido nítrico, nitruro de litio, amoníaco, dióxido de nitrógeno, monóxido de dinitrógeno, hidroxilamina (N ), monóxido de nitrógeno, nitrato de sodio. Nombre Fórmula N.º de oxidación idracina N Ácido nítrico N +5 Nitruro de litio Li N Amoníaco N Dióxido de nitrógeno N + Monóxido de dinitrógeno N + idroxilamina N Monóxido de nitrógeno N + Nitrato de sodio NaN +5. El nitrato de chile (nitrato de sodio) es un fertilizante usado desde comienzos del siglo XX que se obtenía de los depósitos de guano de las aves en las islas de la costa chilena. Qué cantidad de nitrógeno aporta a un terreno kg de dicha sal? M NaN 85 g mol (g) % N 6,7 85 (g) % de N en el NaN 5

.5 Puede existir la molécula de F? No, el flúor no tiene orbitales d próximos en energía para poder desaparear los electrones de su capa de valencia. Solo tiene la posibilidad de covalencia : s s p 5.6 Por qué el ion F - es más estable que el Br -? El flúor (F) y el bromo (Br) presentan la misma configuración electrónica de la capa de valencia: F [ ] 5 Br e s p [ Ar] s p 5 Si solo atendemos al número de electrones en la capa de valencia, los dos elementos presentan la tendencia, muy elevada, a ganar un electrón y formar iones F - y Br -, estructuras ambas de gases nobles estables. Sin embargo, aún siendo las dos estructuras muy estables, el ion F - lo es más por su pequeño tamaño (recordemos que el tamaño crece hacia la izquierda y hacia abajo en el sistema periódico); los electrones en el nivel n están más cerca del núcleo que para el nivel de energía n y, por tanto, estarán más atraídos por el núcleo..7 El mejor rendimiento del proceso aber está favorecido por las altas temperaturas. Este hecho va en contra del principio de Le Châtelier? En los procesos industriales, como es el proceso aber, hay que tener en cuenta factores termodinámicos (como la presión y la temperatura) y cinéticos (como la adecuada velocidad de reacción). En este caso, tenemos una reacción con un fuerte control cinético; a temperaturas bajas la velocidad disminuye (es aproximadamente a temperatura ambiente). Puesto que necesitamos realizar la reacción en un tiempo razonable, a medida que este pasa, el rendimiento aumenta, elevándose así la temperatura..8 El amoníaco es el gas conocido más soluble en agua. Indica las posibles causas por las que esta sustancia es tan soluble en agua. El amoníaco es muy soluble en agua porque forma puentes de hidrógeno con ella: N.9 La molécula de N posee un número impar de electrones. Qué implicaciones tiene esto en sus propiedades? Al poseer un número impar de electrones, el óxido nítrico (N) es una sustancia paramagnética, es decir, presenta paramagnetismo. 5

. Formula y nombra todos los óxidos de nitrógeno e indica su número de oxidación Nombre Fórmula N.º de oxidación Monóxido de dinitrógeno (óxido nitroso) N + Monóxido de nitrógeno (óxido nítrico) N + Trióxido de dinitrógeno N + Dióxido de nitrógeno N + Tetraóxido de dinitrógeno N + Pentaóxido de dinitrógeno N 5 +5. Qué efecto contaminante producen los gases que escapan de las fábricas de ácido sulfúrico? Infórmate en: www.e-sm.net/qbach6 Los gases con que se trabaja son los óxidos de azufre (S y S ), que, en contacto con el agua de lluvia, generan lluvia ácida: S S S. Cómo se podría obtener ácido nítrico a partir de ácido sulfúrico? Qué propiedad de ambos ácidos se estaría utilizando para ello? Para obtener ácido nítrico bastaría con añadir ácido sulfúrico a la sal de nitrógeno, como el nitrato de sodio, ya que se trata de ácidos fuertes que desplazan a otros de sus sales: NaN (aq) + S (aq) NaS (aq) + N (aq). Los materiales utilizados en la precipitación anterior, son los que utiliza la industria química? Explica la diferencia, si es que existe. No, en la industria química se utilizan grandes torres de precipitación y torres de lavado (sucesivas).. Qué se hace con el líquido filtrado en el ejercicio resuelto 6? Puede hacer lo mismo una industria química? En el laboratorio, las cantidades de iones N - y K + que se obtienen no son contaminantes y se desechan por la pila, pero en la industria química el agua de lavado se recicla para: btener subproductos que generen beneficios económicos, como, por ejemplo, el nitrato de potasio (KN ), que puede usarse como fertilizante. Evitar vertidos, ya que una sustancia se convierte en un contaminante, aunque aparentemente no los sea, cuando se encuentra concentrada en un punto y en grandes cantidades..5 Indica una posible causa por la que los árboles de los bosques cercanos a las centrales térmicas presentan decoloración en sus hojas. Las centrales térmicas queman combustibles (antes grandes cantidades de carbón con un alto porcentaje en azufre) y, en consecuencia, generan óxidos de azufre y nitrógeno que provocan lluvia ácida al combinarse con el agua de lluvia. Por este motivo, en los bosques cercanos a dichas centrales, los gases no se han disipado, lo que provoca que las precipitaciones sean ácidas y que estas decoloren las hojas de los árboles. 5

.6 Explica brevemente la contaminación o incidencia medioambiental producida por la combustión de carbón e hidrocarburos cuando no contienen impurezas y cuando contienen azufre. Si no contienen otros elementos, al quemarse los hidrocarburos producen dióxido de carbono (C ) y agua. El C es un gas que provoca el llamado efecto invernadero. Además, si la combustión no se realiza de manera completa, se produce gas metano (C ), el cual también aumenta el efecto invernadero, y monóxido de carbono (C), que, al ser tóxico por inhalación, produce lo que se conoce como muerte dulce. Si contienen impurezas de azufre o de nitrógeno, provocarían lluvia ácida. EJERCICIS Y PRBLEMAS GRUPS DE ELEMENTS DE LA TABLA PERIÓDICA.7 Dadas las siguiente configuraciones electrónicas: I) [Ar]s II) [Kr]5s 5p 5 III) [Kr]s p Señala: a) el grupo y período a que pertenece cada una. b) el elemento. c) si se trata de un metal, no metal o metaloide (semimetal). a) I) Grupo, período ; II) Grupo 7, período 5; III) Grupo, período. b) I) potasio (K); II) yodo (I); III) silicio (Si). c) I) metal; II) no metal; III) metaloide..8 El calcio es un elemento fundamental en nuestra alimentación, pues es un constituyente de los huesos. Sin mirar en la tabla periódica, indica grupo y período, y deduce su número atómico. El calcio (Ca) pertenece al grupo de los alcalinotérreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), que es el grupo. Como dicho grupo empieza en el período (pues al período solo pertenecen el y el e), el calcio pertenece al período. Una vez que sabemos que pertenece al grupo, período, contamos posiciones y deducimos su número atómico, que es Z..9 Indica cuál de las siguientes moléculas no puede existir y por qué: a) F c) Br b) Cl d) I. El F no puede existir, ya que el flúor no puede presentar covalencia 5; no tiene orbitales d próximos en energía para poder desaparear los electrones de los orbitales p, mientras que el resto de los elementos pertenecen a niveles de energía superiores y sí pueden hacerlo.. De los siguientes elementos, cloro, calcio, litio, flúor, nitrógeno, bario: a) indica cuáles de ellos tienen carácter reductor y por qué. b) ordénalos de mayor a menor poder reductor. a) Serán reductores aquellos que tiendan a perder electrones, esto es, que posean pocos electrones en su última capa y poca energía de ionización. Por tanto, son reductores el litio, el calcio y el bario. b) El poder reductor aumenta según disminuye su energía de ionización. Teniendo en cuenta cómo varia esta en el sistema periódico, el orden de mayor a menor poder reductor sería: Li > Ca > Ba > N > Cl > F. 5

. El nitrógeno es un elemento muy abundante en la atmósfera terrestre (un 78%). Por qué, entonces, la cantidad de compuestos de nitrógeno en la corteza terrestre es tan reducida? La estructura de la molécula de nitrógeno presenta un triple enlace N N. La formación de compuestos de nitrógeno implicaría liberar los átomos de nitrógeno, lo que supondría la ruptura de tres enlaces covalentes. La energía de disociación es, por tanto, relativamente alta, por lo que es estable en forma de nitrógeno molecular (N ).. Justifica por qué el carbono se comporta como un no metal mientras que el plomo, que está en su mismo grupo, es claramente un metal. El carácter metálico de un elemento aumenta hacia la izquierda y hacia abajo en la tabla periódica, justo al contrario que la energía de ionización. A menor energía de ionización, mayor tendencia a ceder electrones y, por tanto, mayor carácter metálico. Puesto que están en el mismo grupo, a mayor número atómico (al bajar en el grupo), mayor carácter metálico. El carbono, situado en el período, es más pequeño que el plomo, situado en el período 6. La atracción de los electrones es menor en el plomo, por lo que estos se ceden mejor y es mayor su carácter metálico.. Por qué en la industria electrónica se utilizan materiales hechos de silicio o germanio para construir transistores, diodos, en la fabricación de placas bases de ordenadores, tarjetas de memorias de móviles, etc.? La razón por la que el silicio y el germanio se emplean en la industria electrónica es porque son semiconductores. En el sistema periódico, se encuentran situados entre el carbono, que es un no metal, y el estaño y el plomo, que son claramente metales. Tanto el silicio como el germanio presentan propiedades intermedias (entre ellas la conductividad), pues se consideran semimetales o metaloides.. rdena de mayor a menor los puntos de fusión y ebullición de las siguientes sustancias: a) xígeno molecular. d) Cloruro de sodio. b) Dióxido de azufre. e) Carbono (diamante). c) Sodio metálico. Los puntos de fusión y ebullición serán mayores cuanto más fuertes seas los enlaces presentes: xígeno molecular: tiene enlace covalente; es una molécula apolar (dipolo-dipolo). Dióxido de azufre: tiene enlace covalente; es una molécula polar. Sodio metálico: tiene enlace metálico. Cloruro de sodio: es un compuesto iónico. Carbono (diamante): forma redes covalentes. La fortaleza de estos enlaces varía: Red covalente > sólido iónico > metálico > covalente molecular polar > covalente molecular apolar mayor fortaleza de enlace Por tanto, el orden de estas sustancias por sus puntos de fusión y ebullición será: C (diamante) > NaCl > Na > S > mayor punto de fusión y ebullición.5 Explica por qué los óxidos de los metales alcalinos y alcalinotérreos son básicos cuando se disuelven en agua. Pon un ejemplo, indicando las reacciones que se producen con el agua. Son óxidos básicos, ya que al reaccionar con el agua forman hidróxidos. Estos son considerados bases fuertes y se disocian proporcionando iones -, que al liberarse aumentan el p: Na + Na Na Na + + 5

.6 Qué carácter tienen los óxidos de los no metales, como los del azufre? Pon un ejemplo con alguno, indicando las reacciones con el agua. La reacción de estos óxidos no metálicos con el agua da lugar a sustancias ácidas: S + S + + S S Los ácidos fuertes generados se disocian aportando iones +, lo que provoca una disminución del p..7 Formula y completa las siguientes reacciones: a) Sodio + oxígeno. b) Sodio + cloro. a) Na + Na b) Na + Cl NaCl EL AMNÍAC.8 a) Explica por qué el amoníaco fue fundamental en un momento dado de la historia de la agricultura. b) Por qué son tan buenos fertilizantes el amoníaco y los compuestos derivados de este, como el nitrato de amonio, el sulfato de amonio o el fosfato de amonio? a) El amoníaco supuso un cambio en la agricultura, al poder sintetizar una sustancia barata que podía aportar a la planta el nitrógeno que el suelo no podía fijar tan rápidamente mediante sus microorganismos. b) El amoníaco y sus compuestos derivados son buenos fertilizantes porque aportan nitrógeno, que es un nutriente necesario para que las plantas puedan elaborar materia orgánica..9 De los compuestos nitrato de amonio, sulfato de amonio y fosfato de amonio: a) hay uno que no se puede utilizar por descomponerse explosivamente. Cuál es? b) hay uno que destaca sobre los demás por suministrar un doble aporte de nutrientes. Cuál puede ser? a) El nitrato de amonio se descompone y la reacción genera gases explosivos. b) El fosfato de amonio suministra un doble aporte de nutrientes: aporta el nitrógeno y el fósforo.. Explica por qué las disoluciones acuosas de amoníaco tienen p básico. Escribe la reacción que tiene lugar. El amoníaco actúa como una base de Lewis (base débil), ya que posee un par de electrones no enlazantes. Al estar libre, este par de electrones puede interactuar por enlace covalente dativo con el + del agua: N + + N + Se liberan iones -, que aumentan el p y, por este motivo, las disoluciones tienen p básico.. En una torre se ha recogido amoníaco gaseoso y se quieren eliminar los restos de vapor de agua. a) Se puede utilizar el ácido sulfúrico como agente deshidratante? Qué sucedería? b) Qué pasaría con el Cl? a) El ácido sulfúrico es un potente deshidratante, pero solo se podrá utilizar si no reacciona con el sustrato a desecar. En nuestro caso, el amoníaco reaccionaría rápidamente para dar sulfato de amonio, por lo que no se puede utilizar. b) El cloro sí se puede utilizar, ya que no va a reaccionar con el ácido sulfúrico. 55

. Algunos de los productos más elaborados en las industrias químicas desde la mitad del siglo XX son los fertilizantes. La síntesis de fertilizantes nitrogenados tiene como base inicial la obtención de amoníaco a partir de sus elementos. a) Escribe dicha reacción de obtención (proceso aber). b) Aunque la reacción es exotérmica, a escala industrial se lleva a cabo a temperaturas elevadas. Explica los efectos termodinámicos y cinéticos de este hecho. c) Si se utilizase aire directamente como materia prima, el proceso sería más barato. Se podría obtener algo más que amoníaco en la reacción? Razona la respuesta. d) Por qué tiene importancia socioeconómica el desarrollo de procesos que faciliten la obtención del amoníaco en un proceso con buen rendimiento? a) N (g) + (g) N (g) < b) Según el principio de Le Châtelier, en nuestro caso un aumento de presión se compensará desplazando el equilibrio hacia la derecha y aumentando el rendimiento. Puesto que la reacción es exotérmica, en el caso de la temperatura parece que se vería favorecida por su disminución. Sin embargo, también hay que observar factores cinéticos y, a temperaturas bajas, la velocidad se aproxima a ºC. Como los catalizadores modifican la cinética, se puede trabajar a temperaturas intermedias. Interesa un compromiso entre velocidad de reacción y rendimiento, entre factores cinéticos y termodinámicos. Se llega así a la temperatura de compromiso : el rendimiento disminuye, pero la velocidad aumenta. c) El aire está compuesto por un 78% de nitrógeno y un % de oxígeno, entre otros gases (argón, dióxido de carbono, etc.). El oxígeno reaccionaría con el hidrógeno para dar agua y el el rendimiento de la reacción disminuiría. abría que tener cuidado, porque la mezcla oxígeno + hidrógeno es explosiva. d) Es uno de los compuestos más importantes en síntesis (es el cuarto más producido). Se utiliza para obtener fertilizantes. Además, se utiliza para la síntesis de ácido nítrico, que es el segundo ácido en importancia industrial tras el sulfúrico. Es fundamental que la síntesis de este producto se produzca en condiciones económicas favorables, pues es el punto de partida para muchas otras y, de no ser así, encarecería todos los procesos. Por esta razón, el estudio para mejorar las condiciones de reacción, los catalizadores, etc. no cesa. ÓXIDS Y ÁCIDS DEL NITRÓGEN Y DEL SULFUR. En una etiqueta de una botella de ácido sulfúrico comercial (al 98%) se puede leer: Realiza los cálculos para determinar cuánto ácido hay que tomar para preparar 5 ml de una disolución,5 mol L - de ácido sulfúrico. Ácido sulfúrico 98% S d,8 g/l (5,6 ºC) allamos la masa molecular del ácido sulfúrico: M S 98 g mol Según los datos del problema:,5 (mol) 98 (g ácido) (g disolución) (L disolución),5 (L),56 L disolución comercial (L) (mol) 98 (g ácido),8 (g disolución) Por tanto, tendremos que tomar 5,6 ml de esa disolución de ácido sulfúrico comercial y enrasar con agua hasta obtener los 5 ml de la disolución deseada. 56

. Explica cómo prepararías en el laboratorio la disolución anterior. a) Nombra y dibuja todo el material utilizado. b) Explica detalladamente los pasos que vas a realizar en cada momento. a) b) Con una pipeta con mecanismo de succión (al tratarse de un ácido fuerte), tomamos con cuidado 5,6 ml del ácido comercial y depositamos la cantidad en un vaso de precipitados, sobre unos ml de agua destilada (el ácido ha de añadirse gota a gota y con agitación suave). Una vez añadido, se vierte la mezcla, con la ayuda de un embudo, en el matraz aforado, y se añade más agua (utilizando el mismo vaso para arrastrar cualquier resíduo) hasta que nos acerquemos a la línea de aforo; entonces, con ayuda de la pipeta (si se está acostumbrado a manejarla con suficiente soltura o si no con un cuentagotas), se añade agua, gota a gota, hasta enrasar el contenido con el aforo del matraz (el menisco del líquido debe quedar tangente con la línea de aforo)..5 Fíjate en el dibujo de la etiqueta del ejercicio e intenta explicar las siguientes cuestiones: a) Qué indica el símbolo de la etiqueta? b) Qué pasaría si nos caen unas gotas de ácido en la mano? Qué propiedad hace que se produzca esa reacción con los tejidos? Cómo actuarías? c) Qué observarías si caen unas gotas en una tubería de cobre? Escribe la reacción. a) El símbolo indica que se trata de una sustancia corrosiva. b) Debido a que el ácido es muy deshidratante, unas gotas nos quemarían la mano, ya que los tejidos se deshidratarían (como si se carbonizasen). En ese caso, tendríamos que lavar inmediatamente la piel, a ser posible con una disolución de bicarbonato de sodio, para así neutralizar la acidez (siempre que se trabaja con ácidos, conviene preparar con antelación una disolución de bicarbonato de sodio). c) El ácido sulfúrico es muy oxidante, por lo que reaccionaría con el cobre oxidándolo. btendríamos sulfato de cobre: S + Cu CuS + + S.6 El ácido sulfúrico es un oxidante fuerte. Qué le sucede al ion sulfato de sus sales? Es oxidante, reductor o su actuación depende de la sustancia a la que se enfrente? Los iones sulfato de sus sales son oxidantes; no pueden ser reductores porque el azufre del ion sulfato posee el máximo estado de oxidación posible: +6 57

SitemapMorgen auf RTL-II | NON CI RESTA CHE IL CRIMINE | Nós ou Nada em Paris (Nous trois ou rien) 2016