Ejercicio resuelto de Ácido-Base · Química · Galicia · 2022

PREGUNTA 2.

2.1. Razone mediante las reacciones correspondientes el pH que tendrán las disoluciones acuosas de las siguientes especies químicas: $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ y $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$.
2.2. Aplicando la teoría de la repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV) justifique la geometría electrónica y molecular de las siguientes especies: tetrafluoruro de carbono y tricloruro de arsénico.

${\mathbf{\text{2.1.}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{mediante}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{reacciones}}\mathbf{\text{correspondientes}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{pH}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{disoluciones}}\mathbf{\text{acuosas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{especies}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{micas:}}\mathbf{\text{NaNO}}}_3{\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{NH}}}_4{\mathbf{\text{NO}}}_3\mathbf{\text{.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Para saber si una disolución de una sal es ácida, básica o neutra hay que examinar por separado si cada uno de sus iones reacciona con el agua, y eso depende de la fuerza del ácido y de la base de los que la sal procede.

$\mathbf{\text{Nitrato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sodio}}$. Se disocia por completo:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{s})\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}(\mathrm{a}\mathrm{c})$

El catión $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ procede del NaOH, una base fuerte, así que es un ácido conjugado despreciable y no se hidroliza. El anión $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$ procede del $\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$, un ácido fuerte, de modo que es una base tan débil que tampoco reacciona con el agua.

Ninguno de los dos altera el equilibrio del agua, luego la disolución es $\mathbf{\text{neutra}}$:

$\mathrm{p}\mathrm{H}=7$

$\mathbf{\text{Nitrato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{amonio}}$. También se disocia por completo:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{s})\to \mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}(\mathrm{a}\mathrm{c})$

El anión $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$ sigue sin hidrolizarse, por la misma razón de antes. Pero el catión $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$ es distinto: procede del amoníaco, que es una base $\mathbf{\text{d}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{bil}}$, así que su ácido conjugado sí tiene tendencia apreciable a ceder un protón al agua:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})\rightleftharpoons \mathrm{N}{\mathrm{H}}_3(\mathrm{a}\mathrm{c})+{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})$

Esa hidrólisis genera ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$ y desplaza el equilibrio del agua, de modo que la disolución es $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cida}}$:

$\mathrm{p}\mathrm{H}<7$

La regla general que ilustran los dos casos es: sal de ácido fuerte y base fuerte, disolución neutra; sal de ácido fuerte y base débil, disolución ácida.

$\mathbf{\text{2.2.}}\mathbf{\text{Aplicando}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{teor}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{repulsi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{pares}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{capa}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{valencia}}\mathbf{\text{(TRPECV)}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{molecular}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{especies:}}\mathbf{\text{tetrafluoruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{carbono}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{tricloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ars}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nico.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Según la TRPECV, la disposición espacial la determina el número de zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central, enlazantes y no enlazantes, porque todas se repelen entre sí y se separan lo máximo posible.

$\mathbf{\text{Tetrafluoruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{carbono}}$, $\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$

El carbono pertenece al grupo 14 y aporta 4 electrones de valencia. Los emplea todos en formar un enlace simple con cada flúor, y no le queda ningún par no enlazante:

$4\text{ pares enlazantes}+0\text{ pares libres}=4\text{ zonas}$

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica:}}\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}$, con ángulos de 109,5°.

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{molecular:}}\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}$ también, porque al no haber pares libres las cuatro posiciones están ocupadas por átomos. Al ser los cuatro sustituyentes iguales, el tetraedro es regular y los ángulos son exactamente 109,5°.

$\mathbf{\text{Tricloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ars}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nico}}$, $\mathrm{A}\mathrm{s}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_3$

El arsénico pertenece al grupo 15 y aporta 5 electrones de valencia. Emplea 3 en los enlaces con los cloros y $\mathbf{\text{le}}\mathbf{\text{quedan}}\mathbf{\text{2}}\mathbf{\text{formando}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{par}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{enlazante}}$:

$3\text{ pares enlazantes}+1\text{ par libre}=4\text{ zonas}$

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica:}}\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}$, la misma que en el caso anterior, porque también hay cuatro zonas.

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{molecular:}}\mathbf{\text{pir}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{mide}}\mathbf{\text{trigonal}}$. La geometría molecular solo atiende a la posición de los átomos, y uno de los cuatro vértices está ocupado por el par libre, que no se ve. Queda el arsénico en el vértice de una pirámide cuya base es el triángulo de los tres cloros.

El ángulo Cl-As-Cl es $\mathbf{\text{menor}}$ de 109,5°, porque el par no enlazante está sujeto por un solo núcleo, se extiende más y comprime a los enlazantes.

La comparación entre ambas es el sentido del apartado: partiendo del mismo número de zonas y de la misma geometría electrónica, basta con que una de ellas sea un par libre para que la geometría molecular cambie por completo.