Ejercicio resuelto de Ácido-Base · Química · Galicia · 2026

PREGUNTA 4. REACCIONES QUÍMICAS / ENLACE QUÍMICO Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA (2,5 puntos)

Responda uno de estos dos apartados 4.1. o 4.2:

4.1. Una disolución de un ácido débil HA de concentración 0,02 M tiene una constante de ionización $K_a=3\cdot {10}^{-6}$:

4.1.1. Calcule las concentraciones en el equilibrio de todas las especies. (1 punto)

4.1.2. Determine el pH de dicha disolución y la constante $K_b$ de su base conjugada. (1 punto)

4.1.3. Si tenemos un ácido HB con una $K_a={10}^{-10}$, y lo comparamos con el ácido anterior HA, discuta razonadamente si podríamos afirmar que $A^{-}$ es una base conjugada más fuerte que $B^{-}$. (0,5 puntos)

4.2. Responda los tres subapartados siguientes:

4.2.1. Discuta razonadamente si la especie ${\text{CO}}_2$ es polar. (1 punto)

4.2.2. Dadas las especies ${\text{CO}}_2$ y carbono diamante asígneles razonadamente los siguientes valores de los puntos de fusión: -56,6 °C y 4027 °C. (1 punto)

4.2.3. Dados los elementos con números atómicos 11 y 16, razone cuál tiene mayor radio atómico. (0,5 puntos)

Datos: $R=\mathrm{8,31}\mathrm{J}\cdot {\mathrm{K}}^{-1}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$ o $\mathrm{0,082}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}\cdot \mathrm{L}\cdot {\mathrm{K}}^{-1}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$; 1 atm = 101,3 kPa; Constante de Faraday: 96 485 $\mathrm{C}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$; $K_w=\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-14}$

$\mathbf{\text{4.1.1.}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{concentraciones}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{todas}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{especies.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Se trata de un ácido débil monoprótico, así que se ioniza parcialmente y hay que plantear el equilibrio. Llamando $x$ a la concentración de ácido que se disocia:

$\mathrm{H}\mathrm{A}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{A}}^{-}+{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$

$$	$\mathrm{H}\mathrm{A}$	${\mathrm{A}}^{-}$	${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$ Inicial (mol/L)	0,02	0	0 Cambio (mol/L)	$-x$	$+x$	$+x$ Equilibrio (mol/L)	$\mathrm{0,02}-x$	$x$	$x$

$K_a={\displaystyle \frac{[{\mathrm{A}}^{-}][{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]}{[\mathrm{H}\mathrm{A}]}}={\displaystyle \frac{x^2}{\mathrm{0,02}-x}}=3\cdot {10}^{-6}$

Como $K_a$ es muy pequeña frente a la concentración inicial, se puede despreciar $x$ en el denominador:

$x^2=3\cdot {10}^{-6}\cdot \mathrm{0,02}=6\cdot {10}^{-8}$

$x=\sqrt{6\cdot {10}^{-8}}=\mathrm{2,45}\cdot {10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$

La aproximación está justificada porque $x$ representa solo el 1,2 % de la concentración inicial, muy por debajo del 5 % que se toma como límite habitual.

Las concentraciones en el equilibrio son entonces:

$[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=[{\mathrm{A}}^{-}]=\mathrm{2,45}\cdot {10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$

$[\mathrm{H}\mathrm{A}]=\mathrm{0,02}-\mathrm{2,45}\cdot {10}^{-4}=\mathrm{1,98}\cdot {10}^{-2}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$

Falta el hidroxilo, que no es despreciable como especie aunque su concentración sea diminuta, y se obtiene del producto iónico del agua:

$[\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}]={\displaystyle \frac{K_w}{[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]}}={\displaystyle \frac{\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-14}}{\mathrm{2,45}\cdot {10}^{-4}}}=\mathrm{4,08}\cdot {10}^{-11}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$



Con la concentración de protones del apartado anterior:

$\mathrm{p}\mathrm{H}=-\log [{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=-\log (\mathrm{2,45}\cdot {10}^{-4})$

$\mathrm{p}\mathrm{H}=\mathrm{3,61}$

Es un pH claramente ácido, pero muy por encima del que tendría un ácido fuerte de la misma concentración, que sería $-\log (\mathrm{0,02})=\mathrm{1,70}$. Esa diferencia es la medida de lo poco que se disocia el ácido.

La base conjugada es ${\mathrm{A}}^{-}$, y su equilibrio de hidrólisis es:

${\mathrm{A}}^{-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{H}\mathrm{A}+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$

Multiplicando las expresiones de $K_a$ y $K_b$ se simplifican las concentraciones de HA y de ${\mathrm{A}}^{-}$ y queda el producto iónico del agua, de modo que:

$K_a\cdot K_b=K_w\Rightarrow K_b={\displaystyle \frac{K_w}{K_a}}$

$K_b={\displaystyle \frac{\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-14}}{3\cdot {10}^{-6}}}=\mathrm{3,3}\cdot {10}^{-9}$



La afirmación es $\mathbf{\text{falsa}}$: ocurre justo lo contrario.

El punto de partida es comparar los dos ácidos:

$K_a(\mathrm{H}\mathrm{A})=3\cdot {10}^{-6}>K_a(\mathrm{H}\mathrm{B})={10}^{-10}$

HA es, por tanto, el ácido más fuerte de los dos. Y cuanto más fuerte es un ácido, con más facilidad cede el protón y menos tendencia tiene su base conjugada a recuperarlo: la base conjugada de un ácido fuerte es débil, y viceversa.

Se comprueba con el número, usando la relación del apartado anterior para cada uno:

$K_b({\mathrm{A}}^{-})={\displaystyle \frac{{10}^{-14}}{3\cdot {10}^{-6}}}=\mathrm{3,3}\cdot {10}^{-9}$

$K_b({\mathrm{B}}^{-})={\displaystyle \frac{{10}^{-14}}{{10}^{-10}}}=\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-4}$

$K_b({\mathrm{B}}^{-})>K_b({\mathrm{A}}^{-})$

Es ${\mathrm{B}}^{-}$, la base conjugada del ácido más débil, la que resulta ser la base más fuerte.

${\mathbf{\text{4.2.1.}}\mathbf{\text{Discuta}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{especie}}\mathbf{\text{CO}}}_2\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{polar.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Hay que separar dos cuestiones que se confunden a menudo: la polaridad de los enlaces y la polaridad de la molécula.

Los $\mathbf{\text{enlaces}}$ C=O sí son polares. El oxígeno es bastante más electronegativo que el carbono (3,4 frente a 2,6), así que el par compartido se desplaza hacia el oxígeno y cada enlace tiene su momento dipolar, dirigido del carbono al oxígeno.

Para la $\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}$ hay que sumar esos momentos como vectores, y para eso hace falta la geometría. El carbono central está rodeado de dos zonas de enlace (los dos dobles enlaces) y no le queda ningún par no enlazante, ya que sus cuatro electrones de valencia están todos comprometidos:

$\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}$

Dos zonas de densidad electrónica se separan lo máximo posible, a 180°, de modo que la geometría es $\mathbf{\text{lineal}}$.

En esa disposición los dos momentos dipolares tienen el mismo módulo, la misma dirección y sentidos opuestos, así que se cancelan:

${\vec{\mu }}_{\text{total}}={\vec{\mu }}_1+{\vec{\mu }}_2=\vec{0}$

La molécula de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ es $\mathbf{\text{apolar}}$, pese a tener enlaces muy polares. La comparación con el agua es ilustrativa: también tiene dos enlaces polares, pero al ser angular no se anulan y sí resulta polar.

${\mathbf{\text{4.2.2.}}\mathbf{\text{Dadas}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{especies}}\mathbf{\text{CO}}}_2\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{carbono}}\mathbf{\text{diamante}}\mathbf{\text{as}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{gneles}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{valores}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{puntos}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{fusi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n:}}\mathbf{\text{-56,6}}\mathbf{\text{°C}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{4027}}\mathbf{\text{°C.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Lo que determina el punto de fusión es $\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{hay}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{romper}}$ para deshacer el sólido, y eso depende del tipo de red.

El $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ forma un sólido $\mathbf{\text{molecular}}$: en la red hay moléculas discretas de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, y lo único que las mantiene unidas son fuerzas intermoleculares de London, muy débiles, ya que la molécula es apolar (apartado 4.2.1). Al fundir no se rompe ningún enlace covalente, solo esas interacciones. Le corresponde el valor bajo:

$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2:T_f=-\mathrm{56,6}{}^{\circ }\mathrm{C}$

El diamante es un sólido $\mathbf{\text{covalente}}\mathbf{\text{reticular}}$: cada átomo de carbono está unido por enlaces covalentes a otros cuatro en disposición tetraédrica, formando una red tridimensional que se extiende por todo el cristal. No hay moléculas; el cristal entero es una única macromolécula. Fundirlo exige romper enlaces covalentes, que son fortísimos, de ahí el valor altísimo:

$\mathrm{C}(\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}):T_f=4027{}^{\circ }\mathrm{C}$

La diferencia de casi 4100 grados entre dos sustancias formadas por los mismos tipos de átomos mide directamente lo que separa a un enlace covalente de una fuerza de London.

$\mathbf{\text{4.2.3.}}\mathbf{\text{Dados}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{meros}}\mathbf{\text{at}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{micos}}\mathbf{\text{11}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{16,}}\mathbf{\text{razone}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{radio}}\mathbf{\text{at}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mico.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Se escriben primero las configuraciones electrónicas para situarlos en la tabla:

$Z=11:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^1$ — el $\mathbf{\text{sodio}}$, grupo 1, periodo 3.

$Z=16:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^4$ — el $\mathbf{\text{azufre}}$, grupo 16, periodo 3.

Los dos están en el $\mathbf{\text{mismo}}\mathbf{\text{periodo}}$, es decir, sus electrones más externos ocupan el mismo nivel, el $n=3$, y por tanto están apantallados de forma parecida por las capas internas.

Al avanzar hacia la derecha aumenta la carga del núcleo, mientras que los electrones que se van añadiendo entran en ese mismo nivel y se apantallan mal entre sí. La carga nuclear efectiva que siente cada electrón externo crece, el núcleo tira más de la capa de valencia y el átomo se contrae. Por eso el radio atómico $\mathbf{\text{disminuye}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{lo}}\mathbf{\text{largo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{periodo}}$.

Como el azufre está cinco grupos a la derecha del sodio:

$r(\mathrm{N}\mathrm{a})>r(\mathrm{S})$

El $\mathbf{\text{sodio}}$ tiene mayor radio atómico.