Ejercicio resuelto de Química · 2025

Considere los pares de compuestos siguientes: (i) ${\text{NH}}_3$ y ${\text{PF}}_3$; (ii) ${\text{CCl}}_4$ y $\text{KCl}$; y responda a las siguientes tareas: [2 puntos]

a) Razone cuál tiene un punto de ebullición mayor en cada uno de los pares. [0,5 puntos]

b) Razone cuál(es) de los cuatro compuestos es soluble en agua y cuál(es) no lo son. [0,5 puntos]

c) Sabiendo que el Cl tiene un número atómico igual a 17, indique a qué grupo y periodo pertenece. [0,5 puntos]

d) Justifique si un electrón situado en un orbital 4f puede tener la siguiente serie de números cuánticos $(n,l,m,s)\mathrm{/}(3,2,-2,+1\mathrm{/}2)$. [0,5 puntos]

Datos: número atómico $(Z)$: $\text{H}=1$; $\text{C}=6$; $\text{N}=7$; $\text{F}=9$; $\text{P}=15$; $\text{Cl}=17$; $\text{K}=19$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ebullici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{uno}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{pares.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Hervir exige vencer las fuerzas que mantienen unidas a las partículas, así que en cada par hay que comparar esas fuerzas.

$\mathbf{\text{Par}}\mathbf{\text{(i)}}$: $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ frente a $\mathrm{P}{\mathrm{F}}_3$. Los dos son moléculas polares, pero solo el amoniaco tiene el hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo y pequeño, el nitrógeno, de modo que forma $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$:

${\mathrm{H}}_2\mathrm{N}-\mathrm{H}\cdots \mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$

El $\mathrm{P}{\mathrm{F}}_3$ solo dispone de interacciones dipolo-dipolo y de dispersión, bastante más débiles. Hierve antes el $\mathrm{P}{\mathrm{F}}_3$, y por tanto el punto de ebullición mayor es el del $\mathbf{\text{amoniaco}}$.

$\mathbf{\text{Par}}\mathbf{\text{(ii)}}$: $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$ frente a $\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}$. Aquí la diferencia no es de grado sino de tipo de sustancia. El tetracloruro de carbono es molecular y apolar, con solo fuerzas de dispersión entre sus moléculas; el cloruro de potasio es una red iónica de ${\mathrm{K}}^{+}$ y $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, y hervirlo obliga a deshacerla entera.

La energía reticular es de cientos de kJ por mol frente a unos pocos de las fuerzas de dispersión, así que el punto de ebullición mayor es con mucho el del $\mathbf{\text{KCl}}$.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l(es)}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{cuatro}}\mathbf{\text{compuestos}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{soluble}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{agua}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l(es)}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{lo}}\mathbf{\text{son.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El criterio es el de que lo semejante disuelve a lo semejante: el agua, disolvente polar y con enlaces de hidrógeno, solo disuelve bien lo que puede establecer con ella interacciones de energía comparable a las que hay que romper.

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$: $\mathbf{\text{soluble}}$, y muchísimo. Es polar y forma enlaces de hidrógeno con el agua; de hecho reacciona en parte con ella dando $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$ y $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$.

$\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}$: $\mathbf{\text{soluble}}$. Al ser iónico, el agua rodea cada ion y lo estabiliza, y la energía de hidratación compensa la reticular.

$\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$: $\mathbf{\text{insoluble}}$. Es apolar, así que disolverlo exigiría romper los enlaces de hidrógeno del agua sin nada que los compense.

$\mathrm{P}{\mathrm{F}}_3$: prácticamente $\mathbf{\text{insoluble}}$. Es polar por su forma piramidal, pero no forma enlaces de hidrógeno y esa polaridad no basta.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Sabiendo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{Cl}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{mero}}\mathbf{\text{at}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mico}}\mathbf{\text{igual}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{17,}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{grupo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{periodo}}\mathbf{\text{pertenece.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Se colocan los 17 electrones por orden creciente de energía:

$\mathrm{C}\mathrm{l}(Z=17):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5$

Comprobación del recuento: $2+2+6+2+5=17$ electrones.

El $\mathbf{\text{periodo}}$ lo da el número cuántico principal más alto ocupado, aquí $n=3$: periodo 3.

El $\mathbf{\text{grupo}}$ lo dan los electrones de la capa de valencia, que son siete: $3s^{2}3p^5$. Al terminar en el bloque $p$ con siete electrones externos le corresponde el grupo 17, el de los halógenos. Le falta un electrón para el octeto, y por eso forma con facilidad el ion $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{situado}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{orbital}}\mathbf{\text{4f}}\mathbf{\text{puede}}\mathbf{\text{tener}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{siguiente}}\mathbf{\text{serie}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{meros}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nticos}}\mathbf{\text{(n,}}\mathbf{\text{l,}}\mathbf{\text{m,}}\mathbf{\text{s)}}\mathbf{\text{/}}\mathbf{\text{(3,}}\mathbf{\text{2,}}\mathbf{\text{-2,}}\mathbf{\text{+1/2).}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

No puede.

Un orbital se identifica por sus dos primeros números cuánticos, y el nombre 4f los fija sin ambigüedad:

$n=4$, porque el 4 es el nivel;

$l=3$, porque la letra f corresponde a $l=3$ (0 es s, 1 es p, 2 es d y 3 es f).

La serie propuesta da $n=3$ y $l=2$, que no son esos: ese par describe un orbital $\mathbf{\text{3d}}$, no un 4f.

Conviene subrayar que la serie en sí misma es válida —con $n=3$ se admite $l=2$, y con $l=2$ el número $m$ puede valer $-2$—: lo que falla no es la serie, sino la pretensión de asignarla a un electrón 4f.