SOLUCIONES A LAS CUESTIONES DE INICIACIN1. Qu queremos reflejar cuando decimos que el agua es una sustancia molecu-lar y, sin embargo, el hierro no? Es que el agua no est formada por tomos? Toda la materia est formada por tomos. Sin embargo, mientras que algunas sustan-cias, como los metales, tienen como unidad fundamental el propio tomo, otras, co-mo las sustancias covalentes, tienen la molcula (que a su vez es una asociacin detomos).2. Siqueremosevaporaragua,tenemosquecalentarla;esdecir,comunicarleenergapara:a) romperlosenlacesOHdelasmolculas; b) separarloselectrones del ncleo; c) romper las uniones entre las molculas de agua; d)ninguna es correcta.La respuesta correcta es c); es decir, romper las uniones entre las molculas (fuerzasintermoleculares).3. Comenta si la siguiente afirmacin es o no correcta: Como el cloruro de so-dio es una sustancia formada por iones; esto es, partculas cargadas elctrica-mente, el NaCl es un slido que conducir la corriente elctrica.Es incorrecta. La conductividad elctrica va asociada al hecho de que, ante una dife-rencia de potencial elctrico, exista movimiento de cargas. Pero como en un slidoinico las cargas; es decir, los iones, estn firmemente sujetos en la red cristalina, di-cha movilidad no ser posible.4. Por qu algunas sustancias inicas son muy solubles en agua y, sin embargo,otras lo son muy poco?El proceso de solubilizacin requiere romper la estructura cristalina, que depende dela energa reticular. Por tanto, sustancias inicas con alto valor de dicha magnitud se-rn poco solubles en agua.Unidad 3. Enlace qumico1ENLACE QUMICO3SOLUCIONES A LAS ACTIVIDADES PROPUESTAS EN EL INTERIOR DE LA UNIDAD1. Cuntos electrones hay que aadir o quitar a la suma de los de valencia delostomosimplicadosparaescribirlasfrmulasdeLewisdelasespeciesCO2, CO32, NO2, NH3y PO43?CO2: 0e; CO32: aadir 2e; NO2: quitar 1e; NH3: 0ey PO43: aadir 3e2. Es correcto afirmar que la regla del octeto exige que todos los tomos tienenque alcanzar ocho electrones de valencia?No; la regla del octeto debe entenderse como la tendencia a alcanzar la configura-cin electrnica del gas noble ms cercano, y el helio solo tiene 2ede valencia.3. Escribe frmulas de Lewis que cumplan la regla del octeto para las especies:CH2O, H2Cl, NO2, SF4, CO32y HNO3.4. Por qu se elige el nitrgeno como tomo central en el NO2?Por dos razones: el N tiene una valencia covalente mayor que el O y, adems, as seevita la unin OO, que es poco frecuente.5. Explica el concepto de orden de enlace fraccionario.En la teora original de Lewis no es posible; sin embargo, el concepto de resonan-cia permite que la unin entre dos tomos se realice con valores no enteros de pa-ses de electrones.6. Escribe las estructuras resonantes y obtn el orden de enlace en las especies:C6H6y NO2.O.E. (CC): 3/2 y O.E. (HC): 1C H HH HCCCCHHCC H HH HCCCCHHCC6H6:SF4: CO32: ; HNO3: ; C OOO N OOO HFFFFSH CH2O: COH H2Cl: ; H Cl H NO2: ; no hay;Unidad 3. Enlace qumico1ENLACE QUMICO3O.E. (NO): 3/27. Pueden unirse dos tomos con un enlace doble en el cual los OM sean de ti-po sigma, ?No. La geometra de los orbitales impide un solapamiento frontal doble. El segundosolapamiento es lateral, lo que origina un enlace de tipo .8. Explica en qu se diferencia un enlace covalente ordinario de uno dativo.La diferencia est en cmo se forma el enlace. En el enlace ordinario, cada tomoaporta1ealenlace.Enelenlacecovalentedativo,untomoaportalaparejadeelectrones, y el otro, un orbital vaco donde alojarlos.9. La molcula de agua se forma en el proceso: H OHH2O mediante enla-ce covalente coordinado. Significa esto que los dos enlaces OH del agua noson idnticos?No. Una vez formado, un enlace dativo no es diferenciable de uno covalente ordina-rio. Los dos enlaces OH del agua son idnticos.10. ParalamolculaCO,lalongituddelenlaceCO,sermayoromenorde 120 pm?Un enlace doble CO tiene una longitud de 121 pm. Como en la molcula de CO elenlace es triple, la longitud de enlace ser ms corta y, por tanto, menor de 120 pm.11. La longitud del enlace CC en el benceno es de 139 pm. Escribe su estructurade Lewis ptima y justifica la longitud de enlace experimental.El enlace CC del benceno es intermedio del simple y el doble:Por tanto, la longitud del enlace es intermedia del enlace simple, 154 pm, y el enlacedoble, 133 pm.12. Calcula, en eV, la energa necesaria para separar los cinco tomos de una mo-lcula de metano, CH4.Parasepararloscincotomosdelmetano,CH4,debemosromper4enlacesHC.Tomando el valor de la tabla 2 del texto, ser: 4 414 1 656 kJ/mol. Ahora pasa-mos este valor a eV/molcula:1 656 103mJol 1,6021e1V019J17,2 eV13. Justifica por qu los semiconductores conducen mejor la corriente elctricaen caliente que en fro.Un aumento de temperatura provoca que ms electrones pasen a la banda de con-duccin; por eso hay ms portadores de carga (electrones negativos y huecos positi-vos) y crece la conductividad.1 mol6,022 1023molculasNO2:N O O N O OUnidad 3. Enlace qumico214. Es correcto pensar que cerca de 0 K el Si y el Ge son aislantes?S.A0Knohayelectronesenlabandadeconducciny,portanto,SiyGeson aislantes.15. Ordenarazonadamenteelpuntodefusindeloscompuestosinicos:LiF,MgO, KF, CaS y CaCl2.El punto de fusin depende de la energa reticular, y esta, a su vez, depende funda-mentalmente, y por este orden, de la carga de los iones y del tamao inico. Por tan-to, el orden terico ser:MgO > CaS > CaCl2> LiF > KFNOTA: En la prctica, CaCl2tiene un p.f. anormalmente bajo, menor que LiF y KF.16. Culesdelassiguientessustanciassedisuelvenenagua:SiO2,NaBr,Hg,CaCl2?SiO2: cristal covalente. No se disuelve.NaBr: slido inico. S se disuelve.Hg: metal. No se disuelve.CaCl2: slido inico. S se disuelve.17. Indica cules de estos slidos son conductores elctricos: NaCl, C (diamante),Cu, Al2O3, Pb y C (grafito).NaCl: slido inico. No conduce.Cu: metal. S conduce.Al2O3: cristal covalente. No conduce.Pb: metal. S conduce.C (grafito): cristal covalente en capas. S conduce en paralelo a los planos del cristal(es un caso excepcional).Unidad 3. Enlace qumico3SOLUCIONES A LAS ACTIVIDADES DE FINAL DE UNIDADTeora de Lewis. Regla del octeto1. Escribe los smbolos de Lewis para los siguientes tomos e iones:a) Ca2;b) Sb;c) Ga ;d) S2a) Ca;b) Sb;c)Ga;d):S:2. Mediante smbolos de Lewis, representa la transferencia de electrones entrelos siguientes tomos para formar iones estables:a) K y Br;b) Mg y Cl;c) Ca y O;d) Al y Fa) Ky Br: [K][:Br:] ;b):ClMgCl: [:Cl:][Mg]2[:Cl:];c) Ca:O: [Ca]2[:O:]2;d) 3 :FAl [:F:][Al]3[:F:][:F:]3. Cules de los siguientes iones monoatmicos no tienen configuracin de gasnoble?a) Rb;b) Cr3;c) Pb2;d) I;e) P3Cr3y Pb2no tienen configuracin de gas noble.4. Cuntos electrones de valencia hay, en total, disponibles en las siguientes es-pecies?a) HNO2;b) N2O;c) NH4;d) SO42;e) AlCl3a) HNO2: 1 5 2 6 18 ; b) N2O: 2 5 6 16 ; c) NH4: 5 4 1 1 8 ;d) SO42: 6 4 6 2 28 ; e) AlCl3: 3 3 7 245. Por medio de smbolos de Lewis, muestra cmo se unen los tomos para for-mar los compuestos PH3, CO2y HCN.PH3: H:P:H;CO2: O::C::O;HCN: H:CNH6. Escribe frmulas de Lewis que cumplan la regla del octeto para las especies:a) PHO32;b) COF2;c) ClO3;d) SbBr3;e) N3a) PHO32: ; P OHOOOb) COF2: C F FUnidad 3. Enlace qumico1ENLACE QUMICO37. Explica de forma razonada la validez de la siguiente frase: La estructura deLewis nos muestra la forma geomtrica molecular.Es gravemente incorrecta. La teora de Lewis indica la estructura interna de la mol-cula; es decir, el esqueleto, pero no da ninguna informacin geomtrica.Excepciones a la regla del octeto8. Porqulasmolculasdelaqumicaorgnicasesuelenrepresentarmuybien con frmulas de Lewis que cumplen la regla del octeto?Porque los tomos bsicos pertenecen a elementos de los perodos primero y segun-do: H, C, N y O.9. En la molcula de cido sulfrico, H2SO4, se sabe que los dos enlaces del S conlos O terminales son iguales y ms cortos que los enlaces con los O unidos alH. Escribe una estructura de Lewis del cido sulfrico que justifique este com-portamiento, teniendo en cuenta que el azufre puede ser hipervalente.10. Para las siguientes especies, escribe frmulas de Lewis que cumplan la regladel octeto (inadecuadas) y frmulas de Lewis con el tomo central hipovalen-te (adecuadas):a) BCl3;b) AlF3;c) BeBr211. EscribeestructurasdeLewiseidentifica,encadacaso,altomoconoctetoexpandido en:a) XeF2;b) PBr5;c) AlF63;d) I3;e) IF5a) XeF2: El Xe est hipervalente (12e) Xe F Fa)c) BrIncorrecta CorrectaIncorrecta Correcta Incorrecta CorrectaClBr Br Be Br yyBeCl Cl BClCl Cl B b)Fy F F AlFF F AlLa estructura adjunta se ajusta bien a las medidas experimentales.Enella,elazufrequedahipervalenteconeloctetoexpandidoa12e.HSOH OOOOc) ClO3: ; Cl O Oe) N3: NBrd) SbBr3: Br Br SbN NUnidad 3. Enlace qumico2Unidad 3. Enlace qumico312. Cul o cules de las siguientes molculas no pueden existir? Por qu?:a) PCl3;b) NF5;c) BCl4;d) BF4b) NF5: El nitrgeno no puede quedar hipervalente, as que esa molcula no existe.c) BCl4: Tiene un nmero impar de electrones y, en general, esas molculas son ines-tables.PCl3y BF4son especies correctas:13. Escribe todas las frmulas de Lewis posibles para el ion fosfato, permitiendoque el fsforo tenga el octeto expandido.Como el fsforo puede ser hipervalente, son posibles las siguientes estructuras parael ion fosfato, PO43.Resonancia14. Escribe las tres frmulas resonantes del ion carbonato, CO32, y calcula el or-den de cada enlace CO.a)P O OOOb)P O OOOc)P O OOOd)P O OOOe)P O OOOClCl Cl P yFFF FFBb)I IIIPBr5:c) AlF63:El P est hipervalente (10e)El Al est hipervalente (12e)d) I3: El tomo central de I est hipervalente (10e)F FF FF F Se) IF5: El yodo, I, est hipervalente (12e)FFFF FBrBrBrPBrBrLos tres enlaces CO son idnticos, y su orden de enlace es 4/3.15. Como el azufre puede ser hipervalente, son posibles varias frmulas de Lewispara el SO3. Escrbelas todas y razona cul es la ptima, sabiendo que se tratade la nica para la cual no hay resonancia.Las posibles estructuras para el SO3son:La ptima es la c), que es la nica que no presenta resonancia.16. Escribe las frmulas resonantes para las especies NO2y HNO3. Cul es el or-den de cada enlace?y su orden de enlace es 3/2. El otro enlace NO es simple; y el enlace OH es simple.17. El xido nitroso, N2O, se emplea como anestsico. Su estructura de Lewis p-tima es:[:NONO:][:NNO:]Es especial esta resonancia? Contribuyen por igual las dos formas resonan-tes? Cules sern los rdenes de los enlaces?S, es una resonancia especial, porque las dos estructuras resonantes no son equiva-lentes; por tanto, no tienen por qu contribuir por igual al hbrido de resonancia fi-nal. El enlace NN es intermedio del doble y el triple, y el enlace NO es interme-dio del simple y el doble. La frmula resonante [:NNO:] no se tiene en cuentapor ser menos probable que las otras dos.18. Para el ion perclorato, ClO4, se sabe que la mejor estructura de Lewis es laque contiene tres enlaces dobles ClO. Esta estructura es aceptable, porqueel cloro puede tener octeto expandido. Escrbela, junto con sus posibles for-mas resonantes, y razona si todos los enlaces ClO sern idnticos. En cual-quier caso, cul es el orden de dichos enlaces?NO2: O.E. (N

O) 3/2N O O N O OOO HNO3: Dos de los enlaces N

O son idnticos, H NOO H NOOa)OS O O b)OS O O c)OS O OCO32: C OOOO2COO2O COO2Unidad 3. Enlace qumico4Todos los enlaces ClO son idnticos, y O.E. (ClO) 7/4.19. En la molcula de cido actico, CH3COOH, los enlaces CO no son iguales;sinembargo,esosmismosenlacesssonidnticosenelionacetato,CH3COO.EscribelasfrmulasdeLewisdeambasespeciesyjustificaestecomportamiento. Cul es el orden de los enlaces CO en cada caso?En el cido actico, un enlace CO es doble, y el otro, simple. En el ion acetato, losdos enlaces son idnticos, y su O.E. es 3/2.20. Demuestra, por medio de la resonancia, que las estructuras de Lewis para elCO2:OCOy:OCO:son realmente idnticas.La estructura :OCO:tendra una resonante equivalente, :OCO:. La combina-cin de ambas da un hbrido de resonancia, que es OCO.Enlace covalente21. Segn la TOM, la molcula He2no existe, ya que los electrones se repartiranentre el OM enlazante (favorable) y el OM antienlazante (desfavorable), y elefectototalnoproduciraenlace.PeropodranexistirlasespeciesHHe,HHe, He2y He22? Cules seran ms estables?Las especies HHey He22tienen un enlace covalente simple, porque comparten unpar de electrones en el orbital molecular enlazante y ninguno en el antienlazante. Enlas especies HHe y He2, hay 1een el OM antienlazante, y el orden de enlace es so-lo 1/2. Por tanto, las especies HHey He22sern ms estables.22. Obtn,deformarazonada,lasvalenciascovalentesdeloselementosO,As,Kr, N, S, Br y F.O: 2;As: 3 y 5;Kr: 0;N: 3;S: 2, 4 y 6;Br: 1, 3, 5 y 7;F: 1Los elementos del segundo perodo (O, N y F) solo tienen una valencia covalente.Los del tercero y cuarto (As, S y Br) pueden proporcionar electrones a los subniveles dvacos.CH3; CH OOCH3COOCH3Ion acetato cido acticoCOOOCl O OOOO Cl OOOO Cl OOO O Cl OOUnidad 3. Enlace qumico523. Por qu existe el pentacloruro de fsforo y no existe el pentacloruro de ni-trgeno? El P puede ser hipervalente, porque es un elemento del tercer perodo: tiene cova-lencias 3 y 5. El N, elemento del segundo perodo, solo tiene covalencia 3.24. PuedeexistirsolapamientolateralentreunOAdetipos yotrodetipop?Por qu?No. En tal caso, el orbital s solapara por igual con los dos lbulos del orbital p. Lamecnica cuntica demuestra que, si eso sucede, no se forma enlace.25. Tomando como referencia la actividad 14, razona si los enlaces CO del ioncarbonato, CO32, son ms largos o ms cortos que los presentes en las mol-culas de CO, CO2y CH3OH.Las frmulas de Lewis de CO, CO2y CH3OH son, respectivamente:Como en el ion carbonato, CO32, los enlaces tienen un orden de 4/3, los enlacesCO del carbonato son ms cortos que el enlace CO del metanol, pero ms largosque los enlaces CO del CO y del CO2.26. Determina,consultandolatabla2,laenerganecesariapararompertodoslos enlaces presentes en las molculas: a) CH3Cl ; b) CO2; c) HCN ; d) C2H2;e) NH3.a) CH3Cl: ;E 3 414 339 1 581 kJ mol1b) CO2: ;E 2 736 1 472 kJ mol1c) HCN: ;E 414 891 1 305 kJ mol1d) C2H2: ;E 2 414 837 1 665 kJ mol1e) NH3: ;E 3 389 1 167 kJ mol127. Las molculas de H2O2(fig. 5 del texto), O2y O3, presentan enlace OO.Ordena, del ms largo al ms corto, los enlaces entre tomos de oxgeno pre-sentes en esas molculas.Las estructuras de Lewis de H2O2, O2y O3son, respectivamente:O O H O O H ; ; O O O O O ON HHHC H H CC H NC O OC ClHHHC OHH HH; O ; C O O CUnidad 3. Enlace qumico6Por tanto, los O.E. para OO son: 1 (H2O2), 2 (O2) y 3/2 (O3).El enlace OO ms largo es el del H2O2, luego el del O3, y el ms corto, el del O2.28. Representa grficamente la formacin de la molcula de H2S por solapamien-to de los orbitales atmicos del azufre y del hidrgeno.Qu simetra tienen los enlaces formados?S (Z 16): 1s22s2p63s2p4H (Z 1): 1s1Losdosenlacessondetipo,debidoalsolapa-mientofrontaldedosorbitales3p semillerosdelazufre con sendos orbitales 1s de tomos de hidr-geno.29. Explica por qu las molculas de BF3, AlH3y similares muestran una gran ten-denciaaformarenlacescovalentescoordinados.Culessupapelenlaunin: donantes o aceptores del par de electrones?Propn molculas con las que se puedan enlazar. En este tipo de molculas, el tomo central queda hipovalente:Los tomos hipovalentes pueden aceptar pares de electrones y formar enlaces cova-lentes dativos o coordinados. Las especies con las que pueden formar estos enlaceshan de ser donantes de pares de e, como: NH3y.30. A partir de las electronegatividades, coloca en orden creciente de polaridadlos enlaces: Si H, CO, FH, ClC, NN, HgCl, LiF.Utilizando la tabla 10 de la unidad 2, obtenemos:0 (NN) < 0,3 (Si H) < 0,5 (Cl C) < 1 (CO) < 1,1 (HgCl) < 1,9 (FH) < 3 (Li F)H O HFF F BHH H Al1s13s23p4Unidad 3. Enlace qumico71sxS3p3pHH1syz31. Calculaelmomentodipolarquecreandoscargasiguales,perodesignoopuesto, cuyo valor numrico es la cuarta parte de la carga electrnica, sepa-radas una distancia de 2 . (Expresa el resultado en C m y Debyes).El momento dipolar, , se calcula con la expresin: , q d. Tomando solo el va-lor numrico, tendremos: 1,602 41019C 2 10110m8,01 1030C mque en Debyes se convierte en: 8,01 1030C m 3,34 110D30C m2,4 DEnlaces inico y metlico32. Calcula la energa que se desprende cuando se forma un mol de pares inicosNaF(g)apartirdelostomosneutrosaisladosempleandolossiguientesdatos: Energa de ionizacin del Na: 5,14 eV/tomo Afinidad electrnica del F: 3,40 eV/tomo Energa reticular del NaF(s): 923 kJ/molTomamos como referencia la figura 11 del texto.La formacin de 1 mol de cationes y 1 mol de aniones aislados exige la energa:E1(5,14 3,40) toeVmo 1,6 11e0V22kJ 168 kJ mol1La energa potencial elctrica que corresponde a un par inico se calcula por mediode la expresin:E Kvacoqr qdonde qy qson las cargas de los iones, y r r r, la separacin de los ncleos.Sustituimos en unidades del S.I. y queda:E 9 109 9,97 1019JY ahora calculamos el valor para un mol de pares inicos:E2(mol de pares inicos) 9,97 1019J 6,0212031023600 kJ mol1La energa pedida es:E E1E2168 600 432 kJ mol1Como se aprecia, no necesitamos el dato de la energa reticular.(1,6 1019) (1,6 1019)(95 136) 10126,022 1023tomos1 molUnidad 3. Enlace qumico833. En cada una de las siguientes parejas de slidos inicos, indica razonadamen-te cul tiene menor y cul mayor energa reticular:a) NaF y KF;b) MgO y MgCl2;c) CaO y CsILa energa reticular depende principalmente de dos factores; por este orden: la cargade los iones y el tamao inico. Teniendo esto en cuenta, el orden creciente de laenerga reticular en cada pareja es:a) KF < NaF;b) MgCl2< MgO;c) CsI < CaO34. Considerando los siguientes slidos inicos, CaS, LiF, LiBr y CaO:Cul tendr el punto de fusin ms bajo? Y el ms alto?De forma general, el punto de fusin de un slido inico depende de la energa reti-cular. As pues, suponiendo el cumplimiento de este criterio, ser:p.f. (BrLi) < p.f. (LiF) < p.f. (CaS) < p.f. (CaO)35. Los radios inicos del Ca2y el O2son 99 pm y 140 pm, respectivamente.Qu tipo de red inica tendr el CaO cuando est cristalizado? Cules sernlos ndices de coordinacin?Como el cociente r/r 99/140 0,707, el tipo de red inica ser como la del NaCl(vase figura 13 del texto). En este tipo de red, el ndice de coordinacin es 6:6.36. Si aadimos un poco de arsnico al silicio, por qu aumenta notablementesu conductividad?Cada tomo de arsnico aadido aporta un electrn extra, ya que los tomos de Astienen 5ede valencia, y los de Si, solo 4e.Esos electrones extra contribuyen a la conduccin, porque acceden fcilmente a labanda de conduccin. Esta tcnica se denomina dopado del Si.37. Explica la causa por la que los metales emiten electrones cuando se calientany los slidos inicos y covalentes no lo hacen. Los metales tienen una nube o mar de electrones casi libres que se mueven por todoel cristal metlico. Estos electrones son expulsados del metal si reciben un aporte su-ficiente de energa en forma de calor o de luz. En los slidos inicos y covalentes nohay electrones libres, sino que estn firmemente ligados por enlaces inicos o cova-lentes.Propiedades de las sustancias38. Qu tipo de sustancia se forma en las uniones de los elementos Li, O y F con-sigo mismos? Y unos con otros?De todos ellos, cules son slidos a temperatura ambiente?Los tomos de litio se unen entre s por medio de enlace metlico, dando lugar a unslido metlico. Unidad 3. Enlace qumico9Los tomos de oxgeno y flor se unen por enlace covalente para dar molculas, O2y F2; por tanto, en condiciones normales son gases.El litio forma compuestos inicos tanto con O como con F, de frmulas empricasLi2O y LiF. Son slidos en condiciones normales. El flor y el oxgeno forman molculas del tipo OF2; esta sustancia molecular es ga-seosa en condiciones normales.39. A qu se debe que las sustancias ms densas sean metales?Esto es debido a dos razones:a) Todos los elementos pesados del Sistema Peridico, Z > 54, son metales, salvo elradn, que es un gas. La masa se concentra en el ncleo del tomo y no afecta alvolumen, que depende de la corteza electrnica.b) La estructura interna de los metales es la ms compacta posible; es decir, los to-mos aprovechan el espacio disponible mejor que en los slidos inicos y cova-lentes.40. A cul de las sustancias siguientes, fluoruro de litio, oro, grafito, azufre y co-bre, disuelve el mercurio?El mercurio es un metal. Por tanto, disolver slo a otros metales o metaloides. Portanto, de las sustancias propuestas, disuelve oro y cobre.41. Cules de los slidos, Sn, SiO2, NaCl, y Al, son conductores? Y si estn fundi-dos?Conducen la corriente, en estado slido, el estao y el aluminio. Si estn fundidos, alos dos anteriores se une el cloruro de sodio.42. Ordenadeformacreciente,segnsudureza,lassiguientessustancias:Mg,SiO2(cuarzo), KCl y C (diamante).Mg < KCl < cuarzo < diamante. El ms blando es el magnesio, que es un metal. Lue-go, el cloruro de potasio, que es un slido inico. Y, finalmente, el cuarzo y diaman-te, cristales covalentes, son los ms duros. El diamante es la sustancia de dureza msalta (10 en la escala de Mohs).Unidad 3. Enlace qumico10