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 $(n, l, m, s) / (3, 2, -2, +1/2)$. [0,5 puntos]

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

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

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

$\textbf{Par (i)}$: $\mathrm{NH_3}$ frente a $\mathrm{PF_3}$. 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 $\textbf{enlaces de hidrógeno}$:

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

El $\mathrm{PF_3}$ solo dispone de interacciones dipolo-dipolo y de dispersión, bastante más débiles. Hierve antes el $\mathrm{PF_3}$, y por tanto el punto de ebullición mayor es el del $\textbf{amoniaco}$.

$\textbf{Par (ii)}$: $\mathrm{CCl_4}$ frente a $\mathrm{KCl}$. 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 $\mathrm{Cl^-}$, 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 $\textbf{KCl}$.

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

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.

$\mathrm{NH_3}$: $\textbf{soluble}$, y muchísimo. Es polar y forma enlaces de hidrógeno con el agua; de hecho reacciona en parte con ella dando $\mathrm{NH_4^+}$ y $\mathrm{OH^-}$.

$\mathrm{KCl}$: $\textbf{soluble}$. Al ser iónico, el agua rodea cada ion y lo estabiliza, y la energía de hidratación compensa la reticular.

$\mathrm{CCl_4}$: $\textbf{insoluble}$. Es apolar, así que disolverlo exigiría romper los enlaces de hidrógeno del agua sin nada que los compense.

$\mathrm{PF_3}$: prácticamente $\textbf{insoluble}$. Es polar por su forma piramidal, pero no forma enlaces de hidrógeno y esa polaridad no basta.

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

Se colocan los 17 electrones por orden creciente de energía:

$\mathrm{Cl}\ (Z = 17): \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$

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

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

El $\textbf{grupo}$ 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 $\mathrm{Cl^-}$.

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

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 $\textbf{3d}$, 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.