Ejercicio resuelto de Química · 2022

Justifique las siguientes afirmaciones:

a) A 25 °C y 1 atm, el agua es un líquido y el sulfuro de hidrógeno $(\text{H}_2\text{S})$ es un gas. [0,5 puntos]

b) El etanol es soluble en agua y el etano no lo es. [0,5 puntos]

c) En condiciones normales el flúor y el cloro son gases, el bromo es líquido y el yodo es sólido. [0,5 puntos]

d) El KCl tiene un punto de fusión mayor que el $\text{Cl}_4\text{C}$. [0,5 puntos]

$\textbf{a) A 25 °C y 1 atm, el agua es un líquido y el sulfuro de hidrógeno (H₂S) es un gas. [0,5 puntos]}$

Las dos moléculas son angulares y polares, y el $\mathrm{H_2S}$ es incluso la más pesada (34 frente a 18 u), lo que haría esperar en él fuerzas intermoleculares mayores. Ocurre justo lo contrario, y la razón es el $\textbf{enlace de hidrógeno}$.

El oxígeno es muy electronegativo (3,4) y muy pequeño, de modo que el hidrógeno del agua queda muy desprotegido y es atraído por el par no enlazante del oxígeno de la molécula vecina. Cada molécula de agua puede formar hasta cuatro de estos puentes.

$\mathrm{HO-H \cdots OH_2}$

El azufre, en cambio, tiene una electronegatividad de solo 2,6 y un tamaño mucho mayor, así que no forma enlaces de hidrógeno: entre moléculas de $\mathrm{H_2S}$ solo hay interacciones dipolo-dipolo y de dispersión, bastante más débiles.

Por eso el agua hierve a 100 °C y el sulfuro de hidrógeno a $-60$ °C, y a 25 °C uno es líquido y el otro, gas.

$\textbf{b) El etanol es soluble en agua y el etano no lo es. [0,5 puntos]}$

Lo decisivo es qué interacciones puede establecer cada uno con el agua.

El $\textbf{etanol}$, $\mathrm{CH_3-CH_2-OH}$, tiene un grupo hidroxilo con hidrógeno unido a oxígeno, de modo que forma $\textbf{enlaces de hidrógeno con el agua}$, y además puede aceptarlos por los pares no enlazantes de su oxígeno. Esas interacciones compensan sobradamente los enlaces de hidrógeno del agua que hay que romper para hacerle sitio, así que es miscible en cualquier proporción.

El $\textbf{etano}$, $\mathrm{CH_3-CH_3}$, es apolar: sus enlaces C-H apenas son polares y la molécula es simétrica. Solo podría interaccionar con el agua por fuerzas de dispersión, insuficientes para compensar la rotura de los enlaces de hidrógeno. Es prácticamente insoluble.

Es la regla de que «lo semejante disuelve a lo semejante». Conviene añadir que si la cadena carbonada crece, la parte apolar acaba imponiéndose: el pentan-1-ol ya es solo ligeramente soluble.

$\textbf{c) En condiciones normales el flúor y el cloro son gases, el bromo es líquido y el yodo es sólido. [0,5 puntos]}$

Las cuatro son moléculas diatómicas $\textbf{apolares}$, así que entre ellas solo actúan fuerzas de dispersión de London: no hay diferencia cualitativa, sino de intensidad.

Esas fuerzas nacen de los dipolos instantáneos que aparecen al fluctuar la nube electrónica, y son tanto mayores cuanto más $\textbf{polarizable}$ es la molécula, es decir, cuantos más electrones tiene y más difusos están.

$\mathrm{F_2} < \mathrm{Cl_2} < \mathrm{Br_2} < \mathrm{I_2}$

Al bajar en el grupo de los halógenos aumentan el número atómico, el tamaño y el número de electrones, luego aumentan las fuerzas de dispersión y con ellas los puntos de fusión y ebullición. El resultado es el que describe el enunciado: los dos primeros son gases, el bromo es líquido y el yodo, sólido.

$\textbf{d) El KCl tiene un punto de fusión mayor que el Cl₄C. [0,5 puntos]}$

Aquí la diferencia no es de grado, sino de $\textbf{tipo de enlace}$.

El $\mathrm{KCl}$ es un compuesto $\textbf{iónico}$: no está formado por moléculas, sino por una red cristalina tridimensional de iones $\mathrm{K^+}$ y $\mathrm{Cl^-}$ unidos por atracciones electrostáticas intensas en todas las direcciones. Fundirlo obliga a vencer esa energía reticular.

El $\mathrm{CCl_4}$ es una sustancia $\textbf{molecular}$ apolar, porque sus cuatro enlaces polares se cancelan por la simetría tetraédrica. Sus enlaces covalentes internos son fuertes, pero fundirlo no los rompe: basta vencer las fuerzas de dispersión entre moléculas.

De ahí la diferencia: el KCl funde a 770 °C y el tetracloruro de carbono, a $-23$ °C.