Ejercicio resuelto de Química · 2020

Explique razonadamente los siguientes hechos:

a) El cloruro de sodio tiene un punto de fusión de 801 °C, mientras que el cloro es un gas a temperatura ambiente. [0,5 puntos]

b) El metanol es un compuesto muy soluble en agua, mientras que el metano no lo es. [0,5 puntos]

c) El hierro y el yodo son sólidos a temperatura ambiente; pero el hierro conduce la corriente eléctrica, mientras que el yodo no. [0,5 puntos]

d) El cloruro de magnesio es más duro que el cloruro de calcio. [0,5 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{El}}\mathbf{\text{cloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sodio}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{fusi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{801}}\mathbf{\text{°C,}}\mathbf{\text{mientras}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{cloro}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{gas}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{ambiente.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Lo que decide el punto de fusión es la intensidad de las fuerzas que hay que vencer para separar las partículas, y en estos dos casos son de naturaleza muy distinta.

El $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$ es un compuesto $\mathbf{\text{i}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nico}}$. No hay moléculas de NaCl, sino una red cristalina tridimensional en la que cada $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ está rodeado de seis $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ y viceversa. Fundirlo exige romper un número enorme de atracciones electrostáticas, muy intensas y de largo alcance.

El $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ es una sustancia $\mathbf{\text{molecular}}$. Dentro de cada molécula hay un enlace covalente fuerte, pero ese enlace no se rompe al fundir ni al hervir: lo que se vence es la atracción $\mathbf{\text{entre}}$ moléculas. Y como la molécula es apolar, esas fuerzas son solo de dispersión de London, débiles, de modo que a 25 °C el cloro ya es gas.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{El}}\mathbf{\text{metanol}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{muy}}\mathbf{\text{soluble}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{agua,}}\mathbf{\text{mientras}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{metano}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{lo}}\mathbf{\text{es.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

La regla es que lo semejante disuelve a lo semejante: para que una sustancia se disuelva en otra, las interacciones entre ambas han de ser comparables a las que ya tenía cada una consigo misma.

El metanol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{O}\mathrm{H}$, tiene un grupo hidroxilo, con un hidrógeno unido directamente al oxígeno. Puede, por tanto, formar $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$ con el agua, exactamente igual que las moléculas de agua entre sí. Al disolverse no se pierde cohesión, se sustituyen unos enlaces de hidrógeno por otros equivalentes, y de hecho el metanol es miscible con el agua en cualquier proporción.

El metano, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$, es una molécula tetraédrica perfectamente simétrica y apolar. No puede formar enlaces de hidrógeno ni interacciones dipolo-dipolo con el agua; meterlo entre las moléculas de agua obligaría a romper enlaces de hidrógeno sin nada que los sustituya, lo que no compensa energéticamente. Por eso es prácticamente insoluble.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{El}}\mathbf{\text{hierro}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{yodo}}\mathbf{\text{son}}\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{lidos}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{ambiente;}}\mathbf{\text{pero}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{hierro}}\mathbf{\text{conduce}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{corriente}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{ctrica,}}\mathbf{\text{mientras}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{yodo}}\mathbf{\text{no.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Para conducir hacen falta cargas libres capaces de desplazarse.

El hierro es un $\mathbf{\text{metal}}$: su red está formada por cationes inmersos en una nube de electrones deslocalizados que pertenecen al cristal entero y no a ningún átomo concreto. Al aplicar una diferencia de potencial esos electrones se desplazan, y de ahí la conductividad. Es también la razón de que los metales conduzcan bien el calor y sean dúctiles y maleables.

El yodo es un sólido $\mathbf{\text{molecular}}$: cristal formado por moléculas ${\mathrm{I}}_2$ unidas entre sí por fuerzas de dispersión. Todos sus electrones están localizados en los enlaces o en los pares no enlazantes de cada molécula, y no hay iones ni electrones libres, de modo que no conduce. Y como esas fuerzas intermoleculares son débiles, el yodo sublima con facilidad, mientras que el hierro funde a 1538 °C.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{El}}\mathbf{\text{cloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{magnesio}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{duro}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{cloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{calcio.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Los dos son compuestos iónicos con la misma fórmula, $\mathrm{M}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$, y con las mismas cargas: $+2$ en el catión y $-1$ en el anión. Lo que los diferencia es el $\mathbf{\text{tama}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}$ del catión.

La dureza de un cristal iónico va con su energía reticular, que es tanto mayor cuanto mayores son las cargas y cuanto $\mathbf{\text{menor}}$ es la distancia entre los iones.

El magnesio y el calcio pertenecen al mismo grupo, pero el magnesio está por encima: tiene una capa electrónica menos, así que el $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ es bastante más pequeño que el $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$. Los iones quedan más cerca en la red del $\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$, la atracción electrostática es más intensa y la energía reticular, mayor.

Por eso el cloruro de magnesio es más duro, y por la misma razón funde a mayor temperatura.