Ejercicio resuelto de Química · 2021

En función del tipo de enlace explique por qué:

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

b) El 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 KCl es soluble. [0,5 puntos]

d) El etano tiene un punto de ebullición menor que el etanol. [0,5 puntos]

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

Las dos son moléculas covalentes de tamaño y masa casi idénticos (17 y 16 u), así que lo que decide el punto de ebullición son las fuerzas $\textbf{intermoleculares}$.

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

El $\mathrm{NH_3}$ es piramidal y polar, y sobre todo tiene hidrógeno unido directamente a nitrógeno, uno de los tres elementos (F, O, N) que permiten el $\textbf{enlace de hidrógeno}$:

$\mathrm{H_2N-H \cdots NH_3}$

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.

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

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

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

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: basta 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.

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

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 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 con el agua ni enlaces de hidrógeno ni interacciones ion-dipolo. Disolverlo obligaría a romper enlaces de hidrógeno del agua sin nada que los compense, así que es prácticamente insoluble.

$\textbf{d) El etano tiene un punto de ebullición menor que el etanol. [0,5 puntos]}$

Otra vez decide el enlace de hidrógeno, y el caso es especialmente claro porque las dos moléculas tienen el mismo esqueleto de dos carbonos.

El $\textbf{etano}$, $\mathrm{CH_3-CH_3}$, es apolar: solo fuerzas de dispersión.

El $\textbf{etanol}$, $\mathrm{CH_3-CH_2-OH}$, tiene un grupo hidroxilo, con hidrógeno unido a oxígeno, así que sus moléculas se enlazan entre sí por puentes de hidrógeno:

$\mathrm{CH_3CH_2O-H \cdots O(H)CH_2CH_3}$

Y eso ocurre a pesar de que las masas moleculares son parecidas (30 y 46 u), lo que descarta que la diferencia se deba al tamaño. El resultado es contundente: el etano hierve a $-89$ °C y el etanol, a 78 °C, casi 170 grados más.