Ejercicio resuelto de Varios · Química · Cataluña · 2025

Responda solo a DOS de las cuatro cuestiones planteadas.

El cloroeteno ($\mathrm{CH_2{=}CHCl}$), también llamado cloruro de vinilo, figura entre los compuestos químicos más producidos en todo el mundo porque es el monómero a partir del cual se obtiene el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico bien conocido y muy utilizado para hacer tuberías, persianas o ventanas, entre otras aplicaciones.



El cloruro de vinilo se puede obtener a partir de acetileno ($\mathrm{CH{\equiv}CH}$) y cloruro de hidrógeno según la reacción de síntesis siguiente:

$\mathrm{CH{\equiv}CH(g) + HCl(g) \rightarrow CH_2{=}CHCl(g)}$

Después, este compuesto puede reaccionar fácilmente con el cloro para dar 1,1,2-tricloroetano, un disolvente organoclorado:

$\mathrm{CH_2{=}CHCl(g) + Cl_2(g) \rightarrow CH_2Cl{-}CHCl_2(l)}$

a) Explique a partir de qué tipo de reacción de polimerización se obtiene el PVC. Formule todos los isómeros del dicloroeteno y el tricloroetano y diga qué tipo de isomería presentan. Nómbrelos con su nombre sistemático según la IUPAC. Razone si algún isómero del tricloroetano presenta estereoisomería óptica. [1,25 puntos]
b) Calcule el calor a presión constante y a volumen constante de la reacción de síntesis del cloruro de vinilo en condiciones estándar a 25 °C. Justifique si esta reacción es endotérmica o exotérmica en estas condiciones. [1,25 puntos]
c) Calcule la entalpía de la reacción de obtención del 1,1,2-tricloroetano a partir del cloruro de vinilo en condiciones estándar a 25 °C utilizando las energías de enlace. Razone qué signo tendrá la entropía ($\Delta S$) de esta reacción y justifique cualitativamente si será espontánea a temperaturas altas o bajas. [1,25 puntos]
d) Razone qué tipo de reacciones se producen en la obtención del cloruro de vinilo y del 1,1,2-tricloroetano. ¿Qué geometría tiene la molécula de acetileno? Justifique la respuesta según la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (RPECV). Razone si la molécula de cloruro de vinilo será polar. [1,25 puntos]

Datos:

$\textit{Sustancia}$	$\mathrm{CH{\equiv}CH(g)}$	$\mathrm{HCl(g)}$	$\mathrm{CH_2{=}CHCl(g)}$ Entalpía estándar de formación a 298 K, $\Delta H_f^{\circ}\ \mathrm{(kJ\ mol^{-1})}$	$-226{,}9$	$-92{,}3$	$-37{,}26$

$\textit{Sustancia}$	$\mathrm{C{-}C}$	$\mathrm{C{-}H}$	$\mathrm{C{=}C}$	$\mathrm{Cl{-}Cl}$	$\mathrm{C{-}Cl}$ Entalpía de enlace a 25 °C y 1 atmósfera $\mathrm{(kJ\ mol^{-1})}$	348	412	608	242	328

Constante universal de los gases ideales: $R = 0{,}082\ \mathrm{atm\ L\ K^{-1}\ mol^{-1}}$; $R = 8{,}314\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}$. Números atómicos: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(Cl) = 17. Electronegatividad según la escala de Pauling: H = 2,2; C = 2,5; Cl = 3,2.

Del ejercicio hay que responder solo a dos cuestiones; aquí se resuelven las cuatro.

$\textbf{a) Explique a partir de qué tipo de reacción de polimerización se obtiene el PVC. Formule todos los isómeros del dicloroeteno y el tricloroetano, diga qué tipo de isomería presentan y nómbrelos según la IUPAC. Razone si algún isómero del tricloroetano presenta estereoisomería óptica. (1,25 puntos)}$

El cloruro de vinilo tiene un doble enlace carbono-carbono. En presencia de un catalizador ese doble enlace se abre y cada molécula se une a la siguiente sin perder ningún átomo, de modo que el PVC se obtiene por una polimerización por adición.

$n\,\mathrm{CH_2{=}CHCl}\rightarrow\mathrm{-(CH_2{-}CHCl)_n-}$

El dicloroeteno tiene fórmula $\mathrm{C_2H_2Cl_2}$ y admite tres isómeros:

Fórmula	Nombre IUPAC	Tipo de isomería $\mathrm{CH_2{=}CCl_2}$	1,1-dicloroeteno	de posición respecto de los otros dos $\mathrm{CHCl{=}CHCl}$ (los dos Cl al mismo lado)	cis-1,2-dicloroeteno (Z)	geométrica entre ellos dos $\mathrm{CHCl{=}CHCl}$ (los dos Cl en lados opuestos)	trans-1,2-dicloroeteno (E)	geométrica entre ellos dos

Los dos últimos existen por separado porque el doble enlace impide el giro libre alrededor del eje C-C: son estereoisómeros geométricos.

El tricloroetano, $\mathrm{C_2H_3Cl_3}$, solo admite dos isómeros:

Fórmula	Nombre IUPAC	Tipo de isomería $\mathrm{CCl_3{-}CH_3}$	1,1,1-tricloroetano	de posición $\mathrm{CHCl_2{-}CH_2Cl}$	1,1,2-tricloroetano	de posición

Aquí no hay isomería geométrica, porque el enlace C-C es simple y sí permite el giro.

Para que haya estereoisomería óptica hace falta al menos un carbono asimétrico, unido a cuatro sustituyentes distintos. En el 1,1,1-tricloroetano un carbono lleva tres cloros iguales y el otro tres hidrógenos. En el 1,1,2-tricloroetano, el primer carbono lleva dos cloros iguales y el segundo, dos hidrógenos iguales. Ninguno de los cuatro carbonos es asimétrico, de manera que ningún isómero del tricloroetano presenta estereoisomería óptica.

$\textbf{b) Calcule el calor a presión constante y a volumen constante de la reacción de síntesis del cloruro de vinilo en condiciones estándar a 25 °C. Justifique si esta reacción es endotérmica o exotérmica en estas condiciones. (1,25 puntos)}$

El calor a presión constante es la variación de entalpía, que se obtiene con la ley de Hess a partir de las entalpías de formación de la tabla.

$\Delta H^{\circ}=\Delta H_f^{\circ}\left(\mathrm{CH_2{=}CHCl}\right)-\left[\Delta H_f^{\circ}\left(\mathrm{CH{\equiv}CH}\right)+\Delta H_f^{\circ}\left(\mathrm{HCl}\right)\right]$

$\Delta H^{\circ}=-37{,}26-\left[-226{,}9-92{,}3\right]=-37{,}26+319{,}2$

$Q_p=\Delta H^{\circ}=+281{,}9\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$

Con los datos que da el enunciado, por tanto, la reacción resultaría endotérmica.

Conviene advertir que la entalpía de formación del acetileno que aparece en la tabla del examen lleva el signo cambiado: el valor tabulado es $+226{,}7\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$, positivo, porque el acetileno es un compuesto endotérmico. Con el signo correcto la reacción saldría $\Delta H^{\circ}=-171{,}9\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$, es decir, exotérmica, que es lo que cabe esperar de una adición a un triple enlace.

Para el calor a volumen constante se pasa de entalpía a energía interna teniendo en cuenta solo los moles de gas, que bajan de dos a uno.

$\Delta H=\Delta U+\Delta n_{\text{gas}}RT \Rightarrow \Delta U=\Delta H-\Delta n_{\text{gas}}RT$

$\Delta n_{\text{gas}}=1-2=-1$

$\Delta U=281{,}9-\left(-1\right)\cdot8{,}314\cdot10^{-3}\cdot298=281{,}9+2{,}48$

$Q_v=\Delta U=+284{,}4\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$

Con los datos del enunciado, $Q_p=+281{,}9$ kJ/mol y $Q_v=+284{,}4$ kJ/mol, y la reacción sería endotérmica. Con la entalpía de formación real del acetileno los valores serían $-171{,}9$ y $-169{,}4$ kJ/mol, y la reacción exotérmica. La diferencia entre los dos calores es pequeña porque el término $\Delta n\,RT$ apenas llega a $2{,}5$ kJ/mol.

$\textbf{c) Calcule la entalpía de la reacción de obtención del 1,1,2-tricloroetano a partir del cloruro de vinilo en condiciones estándar a 25 °C utilizando las energías de enlace. Razone qué signo tendrá la entropía de esta reacción y justifique si será espontánea a temperaturas altas o bajas. (1,25 puntos)}$

Con energías de enlace, la entalpía de reacción es la energía absorbida para romper los enlaces de los reactivos menos la desprendida al formar los de los productos. Basta contar los enlaces que realmente cambian.

$\mathrm{CH_2{=}CHCl+Cl_2\rightarrow CH_2Cl{-}CHCl_2}$

Se rompen el doble enlace carbono-carbono y el enlace cloro-cloro; se forman un enlace simple carbono-carbono y dos enlaces carbono-cloro. Los cuatro enlaces C-H y el C-Cl que ya existía se mantienen intactos.

$\sum E_{\text{rotos}}=E(\mathrm{C{=}C})+E(\mathrm{Cl{-}Cl})=608+242=850\ \mathrm{kJ}$

$\sum E_{\text{formados}}=E(\mathrm{C{-}C})+2\,E(\mathrm{C{-}Cl})=348+2\cdot328=1\,004\ \mathrm{kJ}$

$\Delta H^{\circ}=850-1\,004=-154\ \mathrm{kJ\ mol^{-1}}$

La reacción es exotérmica: se forman enlaces más fuertes de los que se rompen.

En cuanto a la entropía, los reactivos son dos moles de gas y el producto, un mol de líquido. El desorden del sistema disminuye mucho, así que $\Delta S^{\circ}<0$.

$\Delta G^{\circ}=\Delta H^{\circ}-T\Delta S^{\circ}$

Con $\Delta H<0$ y $\Delta S<0$, el término $-T\Delta S$ es positivo y crece con la temperatura. La energía libre solo será negativa mientras ese término no supere al de entalpía, es decir, a temperaturas bajas.

La reacción desprende $154$ kJ por mol, tiene una variación de entropía negativa y será espontánea a temperaturas bajas y no espontánea por encima de cierta temperatura.

$\textbf{d) Razone qué tipo de reacciones se producen en la obtención del cloruro de vinilo y del 1,1,2-tricloroetano. ¿Qué geometría tiene la molécula de acetileno? Justifique la respuesta según la RPECV. Razone si la molécula de cloruro de vinilo será polar. (1,25 puntos)}$

En la primera reacción el cloruro de hidrógeno se suma al triple enlace del acetileno, que pasa a doble; en la segunda, el cloro se suma al doble enlace del cloruro de vinilo, que pasa a simple. En los dos casos la insaturación se reduce y no se desprende ninguna molécula: son reacciones de adición, características de los hidrocarburos insaturados.

En el acetileno, $\mathrm{H{-}C{\equiv}C{-}H}$, cada carbono está unido a un hidrógeno y al otro carbono. Para la RPECV el triple enlace cuenta como una sola zona de densidad electrónica, de modo que alrededor de cada carbono hay solo dos zonas. Dos zonas se separan lo máximo posible colocándose a $180^\circ$, así que la molécula de acetileno es lineal.

El cloruro de vinilo, $\mathrm{CH_2{=}CHCl}$, es una molécula plana. El enlace C-Cl es marcadamente polar, ya que

$\Delta\chi=3{,}2-2{,}5=0{,}7$

mientras que los enlaces C-H apenas lo son. Como el cloro está en un solo extremo de la molécula y no hay ningún elemento de simetría que compense su momento dipolar, la suma vectorial no se anula: el cloruro de vinilo es una molécula polar.