Ejercicio resuelto de Química · 2024

Justifique la veracidad de los siguientes apartados:

a) El $\text{NH}_3$ tiene un punto de ebullición más alto que el $\text{CH}_4$. [0,5 puntos]

b) El $\text{KCl}$ tiene un punto de fusión mayor que el $\text{Cl}_2$. [0,5 puntos]

c) El $\text{CH}_4$ es insoluble en agua y el $\text{KCl}$ es soluble. [0,5 puntos]

d) El agua $(\text{H}_2\text{O})$ es un líquido y el sulfuro de hidrógeno $(\text{H}_2\text{S})$ es un gas. [0,5 puntos]

$\textbf{a) El NH₃ tiene un punto de ebullición más alto que el CH₄. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera.}$ Los dos son moléculas covalentes de tamaño parecido, así que lo que decide el punto de ebullición son las fuerzas $\textbf{intermoleculares}$, no los enlaces internos.

El $\mathrm{CH_4}$ es tetraédrico y apolar: sus enlaces C-H apenas son polares y, aunque lo fueran, la simetría los cancelaría. Entre sus moléculas solo hay fuerzas de dispersión de London, las más débiles.

El $\mathrm{NH_3}$ es piramidal y polar, y además tiene hidrógeno unido directamente a nitrógeno, que es uno de los tres elementos (F, O, N) que permiten el $\textbf{enlace de hidrógeno}$. Ese enlace es mucho más fuerte que las fuerzas de dispersión, de modo que separar las moléculas de amoníaco cuesta bastante más energía.

Los datos lo confirman: el amoníaco hierve a $-33$ °C y el metano, a $-162$ °C.

$\textbf{b) El KCl tiene un punto de fusión mayor que el Cl₂. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera}$, y aquí la diferencia no es de matiz: es que el tipo de enlace es distinto.

El $\mathrm{KCl}$ es un compuesto $\textbf{iónico}$. No hay moléculas: hay una red cristalina tridimensional de iones $\mathrm{K^+}$ y $\mathrm{Cl^-}$ unidos por atracciones electrostáticas en todas las direcciones. Fundirlo exige vencer toda esa energía reticular.

El $\mathrm{Cl_2}$ es una sustancia $\textbf{molecular}$ apolar. El enlace covalente entre los dos cloros es fuerte, pero fundir el sólido no lo rompe: solo hay que vencer las débiles fuerzas de dispersión entre moléculas.

De ahí la diferencia enorme: el KCl funde a 770 °C y el cloro, a $-101$ °C.

$\textbf{c) El CH₄ es insoluble en agua y el KCl es soluble. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera.}$ El agua es un disolvente muy polar y disuelve bien aquello con lo que puede establecer interacciones de energía comparable a las que rompe.

El $\mathrm{KCl}$ se disuelve porque los dipolos del agua rodean cada ion y lo estabilizan: la energía de $\textbf{hidratación}$ compensa la energía reticular que hay que vencer.

$\mathrm{KCl(s)} \xrightarrow{\ \mathrm{H_2O}\ } \mathrm{K^+(ac)} + \mathrm{Cl^-(ac)}$

El $\mathrm{CH_4}$, apolar, no puede formar enlaces de hidrógeno ni interacciones ion-dipolo con el agua. Disolverlo obligaría a romper enlaces de hidrógeno del agua sin nada que los compense, así que es prácticamente insoluble. Es la regla de que «lo semejante disuelve a lo semejante».

$\textbf{d) El agua (H₂O) es un líquido y el sulfuro de hidrógeno (H₂S) es un gas. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera}$, y es un caso llamativo porque va contra lo que sugiere la masa molecular.

Las dos moléculas son angulares y polares, y el $\mathrm{H_2S}$ es la más pesada (34 frente a 18 u), lo que haría esperar en él fuerzas de dispersión mayores y, por tanto, mayor punto de ebullición. Ocurre lo contrario.

La razón es el $\textbf{enlace de hidrógeno}$. El oxígeno es muy electronegativo (3,4) y pequeño, de modo que el hidrógeno del agua queda muy desprotegido y se une al par no enlazante del oxígeno de la molécula vecina; cada molécula de agua puede formar hasta cuatro de estos puentes. El azufre, en cambio, tiene una electronegatividad de solo 2,6 y es mucho mayor, así que no forma enlaces de hidrógeno: entre moléculas de $\mathrm{H_2S}$ solo hay interacciones dipolo-dipolo y de dispersión.

Por eso el agua hierve a 100 °C y el sulfuro de hidrógeno a $-60$ °C, y a temperatura ambiente uno es líquido y el otro, gas.