Solucionario Polaridad de las moléculas y fuerzas

SOLUCIONARIO
Guía Estándar Anual
Polaridad de las moléculas y
fuerzas intermoleculares.
SGUICES034CB33-A16V1
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Alternativa
A
E
D
B
C
D
A
B
A
A
A
E
D
E
B
C
B
C
C
C
D
B
C
A
A
Habilidad
ASE
Reconocimiento
ASE
ASE
ASE
Reconocimiento
Comprensión
Comprensión
Comprensión
Comprensión
ASE
Comprensión
ASE
ASE
ASE
Comprensión
ASE
Comprensión
Comprensión
ASE
ASE
ASE
ASE
Comprensión
ASE
EJERCICIOS PSU
Ítem
1
Alternativa
A
2
E
Defensa
Si un átomo del elemento X está ubicado a la izquierda y abajo en una
tabla periódica, lo más probable es que forme cationes. Por otra parte,
si un átomo del elemento Y tiene una electroafinidad muy alta,
significa que formará aniones. Por lo tanto, lo más probable es que X
e Y se enlacen a través de un enlace iónico, unión que se establece
por atracción electrostática entre un catión y un anión para formar
compuestos. Por lo tanto, las moléculas de este compuesto
establecen entre sí interacciones de tipo ion-ion.
Para determinar la polaridad de una molécula, es necesario conocer:
1.
la electronegatividad de los elementos que componen la
molécula, ya que así se puede determinar si habrá diferencia
en la densidad electrónica de la molécula.
2. la estructura de Lewis de la molécula para determinar si
existen pares de electrones libres en el átomo central,
determinar la geometría de la molécula y evaluar si existe
polaridad.
3. el tipo de enlace de la molécula, ya que en el enlace
covalente se producen momentos dipolares, debido a la
diferencia electronegatividades.
3
D
La estructura de Lewis de la molécula de CO2 es:
En ella se puede apreciar que la molécula no tiene pares de
electrones libres alrededor del átomo central (alternativa E incorrecta)
y que contiene dos enlaces dobles entre carbono y oxígeno. Como
este último es más electronegativo que el carbono, cada uno de los
enlaces es polar (alternativa A incorrecta). Sin embargo, dado que los
momentos dipolares de cada uno de los enlaces son iguales en
magnitud y de sentido opuesto (alternativa D correcta), estos se
anulan, haciendo que la molécula sea apolar. Por lo tanto, las
moléculas de CO2 no pueden establecer enlaces dipolo-dipolo entre
sí, ya que este tipo de interacción se forma entre moléculas polares
(alternativa B incorrecta). El enlace puente de hidrógeno es un tipo
especial de interacción dipolo-dipolo, que se forma entre un átomo
electronegativo, como F, N y O, y un átomo de hidrógeno unido
covalentemente a otro átomo electronegativo de un compuesto polar.
Por lo tanto, es incorrecto que se forme este tipo de interacción entre
las moléculas de CO2 y las de H2O, ya que las primeras no son
polares (alternativa C incorrecta).
4
B
Para determinar la polaridad de las moléculas es necesario conocer
su geometría, además determinar si los elementos en la molécula
generan algún momento dipolar µ ≠ 0.
Para el tolueno, se sabe que el benceno es una molécula apolar, sin
embargo, al estar uno de sus hidrógenos sustituido con el grupo
metilo, este genera un momento dipolar (µ ≠ 0) que la transforma en
una molécula polar.
Para el trans-1,2-dibromoeteno, sabiendo que el bromo es un átomo
más electronegativo que el carbono, se puede deducir que en el
enlace C–Br, se genera un momento dipolar, que desplaza la nube
electrónica hacia el bromo. En el caso del enlace C–H, el carbono es
levemente más electronegativo que el hidrógeno, por lo que se genera
un pequeño momento dipolar en dirección al carbono. A pesar de la
presencia de estos enlaces polares, la molécula es apolar, ya que
debido a la simetría de su estructura, los momentos dipolares se
anulan.
Para el cis-1,2-dibromoeteno, siendo el átomo de bromo el más
electronegativo, se genera una densidad de carga negativa sobre él y
una densidad de carga positiva sobre los hidrógenos, formando una
molécula polar.
Para el amoniaco, como el átomo de nitrógeno es más electronegativo
y además posee un par de electrones libres, se genera una densidad
de carga negativa sobre él y una densidad de carga positiva sobre los
hidrógenos, formando una molécula polar.
Para el agua, siendo el átomo de oxígeno el más electronegativo y
poseer pares de electrones libres, se genera una densidad de carga
negativa y una densidad de carga positiva sobre los hidrógenos,
formando una molécula polar.
5
C
Respecto a la molécula de BF3 podemos afirmar que no cumple con la
regla del octeto, ya que al enlazarse el boro queda rodeado de 6
electrones, en vez de 8 (A incorrecta). No existen pares de electrones
libres alrededor del átomo central (D correcta), por lo tanto, su
geometría es plana trigonal (B incorrecta), con ángulos de enlace de
120°.
Pese a que contiene tres enlaces covlentes polares (E incorrecta), es
una molecular apolar (C correcta) debido a que todos los momentos
dipolares se anulan (µ = 0).
6
D
7
A
Dentro de una molécula, los átomos están unidos entre sí a través de
fuerzas intramoleculares, las que incluyen al enlace covalente, iónico
y metálico (alternativas A y E incorrectas). Estas fuerzas son las que
deben vencerse para que ocurra un cambio químico (alternativa B
incorrecta).
Las fuerzas intermoleculares, son aquellas que se establecen entre
moléculas de un compuesto. De ellas dependen las propiedades
físicas de las sustancias, como el estado de agregación, punto de
fusión, punto de ebullición, etc. (alternativa D correcta).
Individualmente, estos enlaces son más débiles que un enlace
intramolecular, como el enlace covalente (alternativa C incorrecta).
La molécula del tetracloruro de carbono (CCl4) es un tipo de molécula
AB4, cuyo ángulo de enlace es de 109,5°. No presenta pares de
electrones libres en el átomo central, por lo que se forman 4
momentos dipolares de igual magnitud, que se anulan debido a la
geometría de la molécula, lo que hace que sea apolar.
8
B
La molécula gaseosa de N2 no presenta momento dipolar por lo que
es apolar, pero al interactuar con el agua, que sí presenta un
momento dipolar, se produce una distorsión de su nube electrónica,
convirtiéndose de modo transitorio en un dipolo. Este tipo de
interacción se denomina dipolo inducido (N2) – dipolo permanente
(agua).
9
A
El hielo puede flotar en el agua líquida debido a que presenta menor
densidad (opción II correcta; III incorrecta), esto se debe a que en el
hielo, los puentes de hidrógeno entre las moléculas se establecen de
tal forma que estas adoptan las formas hexagonales características de
los cristales de hielo (opción IV incorrecta). En estas estructuras se
producen espacios no ocupados por moléculas sueltas, a diferencia
de lo que ocurre en el agua líquida. Por ello, un volumen de hielo tiene
menor masa que el mismo volumen de agua (opción I correcta).
10
A
El punto de ebullición está directamente relacionado con la mayor o
menor interacción entre las moléculas, ya que mientras mayor sea
está interacción más va a costar que se separen las moléculas y
mayor será el punto de ebullición de las mismas.
Los ácidos orgánicos presentan mayores puntos de ebullición que los
ésteres y éteres, ya que las moléculas de los ácidos interactúan por
puentes de hidrógeno, que es una interacción más fuerte que la que
presentan los dos últimos (dipolo- dipolo).
11
A
Las moléculas polares pueden establecer interacciones de tipo dipolodipolo entre sí. A mayor polaridad, estas fuerzas intermoleculares
serán mayores, por lo que se requerirá más energía para romper la
unión entre las moléculas, determinando un mayor punto de ebullición.
De acuerdo a los datos entregados, las moléculas que tienen mayores
puntos de ebullición son los ácidos y los alcoholes, ya que ellos
interactúan por puentes de hidrógeno, un tipo particular de interacción
dipolo – dipolo, de mayor fuerza (opción I correcta).
Los ésteres presentan polaridad, pero esta es menor que la de
alcoholes y ácidos carboxílicos (opción II incorrecta); los éteres son
poco polares y los alcanos son apolares, por lo tanto, presentan
interacciones más débiles, facilitando la ruptura de enlaces y
generando puntos de ebullición más bajos (opción III incorrecta).
12
E
La solvatación de NaCl en el agua se debe a que la atracción que
existe entre los iones Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga
opuesta de la molécula de agua, es capaz de vencer las fuerzas que
mantienen juntos a Na y Cl en estado sólido. Esta interacción entre los
iones Na+ y Cl- y la molécula dipolar de agua es de tipo ion - dipolo.
13
D
El H2 es una molécula apolar por lo tanto, las interacciones que se
forman entre moléculas de H2 serán fuerzas de dispersión de London.
Entre moléculas de HBr (moléculas polares), las fuerzas de
interacción serán de tipo dipolo - dipolo y por último entre moléculas
de NH3 (moléculas polares) la interacción será por puentes de
hidrógeno, ya que estos se forman entre H y F, N u O.
14
E
Para determinar las características de la molécula de Cl2 es necesario
conocer que sus átomos se enlazan mediante un enlace covalente
apolar, ya que se están uniendo dos átomos iguales. Como tienen
electronegatividades iguales no habrá polaridad en la molécula.
Por último, la interacción de moléculas de Cl2 entre sí, ocurre por la
formación de dipolos instantáneos y dipolos inducidos, lo que se
denomina fuerzas de dispersión de London.
15
B
Para determinar las características de la molécula de CH4 tenemos
que conocer que los enlaces C-H son de tipo covalente y por poseer
electronegatividades distintas se determina que es además polar. Al
conocer la geometría de la molécula, que es tetraédrica, podemos ver
que todos los momentos dipolares de la molécula se anulan, por ende
la molécula no presentará polaridad.
16
C
En el caso de la 2-pentanona (CH3-CO-CH2-CH2-CH3), se trata de
fuerzas de Van der Waals dipolo-dipolo, ya que el grupo carbonilo,
cetónico posee un enlace polar. Son fuerzas de cohesión débiles.
En el n-hexano (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3), se establecen fuerzas
de Van der Waals de tipo dipolo instantáneo - dipolo inducido, ya que
la molécula no muestra enlaces polares. Estas interacciones se
denominan también fuerzas de London. Esto quiere decir que sus
fuerzas de cohesión son aún menores que en el caso anterior.
Para el ácido acético (CH3-COOH), las fuerzas de cohesión son
puentes de hidrógeno porque el grupo carboxilo posee un enlace –OH
muy polarizado, que permite este tipo de interacción. Son fuerzas de
cohesión mayores.
17
B
Habilidad
de
pensamiento
científico:
Procesamiento
e
interpretación de datos y formulación de explicaciones, apoyándose
en los conceptos y modelos teóricos.
Las líneas discontinuas muestran una unión entre moléculas, por lo
que corresponden a uniones intermoleculares (opción I incorrecta).
Este tipo de interacción entre moléculas de agua se denominan
puentes de hidrógeno y son un tipo especial de interacción dipolodipolo. Las uniones dipolo – dipolo se forman cuando las moléculas
presentan polos dentro de su estructura, estableciéndose una
interacción entre zonas con carga parcial positiva y zonas con carga
parcial negativa (opción II correcta).
Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las
moléculas, por lo que las uniones entre ellas se rompen (opción III
incorrecta).
18
C
Los enlaces intramoleculares corresponden a los enlaces que se dan
entre los átomos de una misma molécula (enlaces iónicos y enlaces
covalentes). En el caso de una molécula de agua se forman enlaces
covalentes polares entre el átomo de oxígeno e hidrógeno.
Los enlaces intermoleculares son los que se dan entre las moléculas
(puentes de hidrógeno y enlaces por fuerzas de Van der Waals). Las
moléculas de agua interactúan entre sí a través de puentes de
hidrógeno.
19
C
El puente de Hidrógeno, se forma por la fuerza dipolo – dipolo entre
un átomo muy electronegativo (N, O o F) y un átomo de H unido
covalentemente a otro átomo electronegativo (N, O o F ).
El benceno (C6H6) es una molécula aromática que no presenta
grandes diferencias de electronegatividad en su estructura interna, por
lo que no existirán atracciones electrostáticas entre moléculas de
C6H6, siendo imposible que forme puentes de hidrógeno, tal como el
agua y los demás compuestos mencionados que sí las poseen.
20
C
21
D
El punto de ebullición depende de las fuerzas intermoleculares que se
establecen en una sustancia. Mientras más fuertes sean estas, mayor
será la energía que se tendrá que aplicar para separar las moléculas y
con ello el punto de ebullición será mayor. Los tres compuestos que
se presentan son polares, pero solo dos de ellos pueden formar
puentes de hidrógeno (CH3OH y CH3NH2). Por lo tanto, el menor
punto de ebullición corresponde a CH3Br (2).
Como el O tiene mayor electronegatividad que el N, la polaridad del
enlace O-H es mayor que la del enlace N-H, por lo que se puede
inferir que las interacciones por puente de hidrógeno entre moléculas
de CH3OH serán más fuertes que entre moléculas de CH3NH2.
Así, el orden creciente de los puntos de ebullición de los compuestos
es: 2, 1, 3.
El hidrógeno (H2) está formado por dos átomos iguales, por lo que
los electrones son atraídos con la misma fuerza por ambos núcleos
y el momento dipolar es igual a cero.
H–H
En el metano, los enlaces C-H son débilmente polares dado que el
átomo de carbono y el de hidrógeno presentan similar
electronegatividad. Sin embargo, debido a la geometría tetraédrica
de la molécula, los momentos dipolares de enlace se cancelan entre
sí, haciendo que sea apolar.
El caso del amoniaco es similar al de la molécula de agua: el
nitrógeno es más electronegativo que el hidrógeno y, por tanto, los
tres enlaces N-H son polares. Además, existe un par de electrones
libres en el átomo de N, de modo que la densidad de carga se
encuentra desplazada hacia este átomo.
22
B
Estas sustancias presentan una masa molar similar, por lo tanto
tenemos que observar la polaridad o la capacidad de formar puentes
de hidrógeno. Puesto que el butanol es el único que puede formar
enlaces puente de hidrógeno, presentará el punto de ebullición más
elevado, debido a la presencia del grupo OH (hidroxilo). Este tipo de
enlace intermolecular es más fuerte que los enlaces de Van der Waals
(dipolo – dipolo y dipolo instantáneo – dipolo inducido), que se dan en
el resto de las moléculas, por lo que se necesita más energía para
romper estas fuerzas intermoleculares y, en consecuencia, el punto de
ebullición es mayor.
23
C
Para que una sustancia orgánica sencilla sea soluble en agua ha de
presentar un grupo polar en su molécula o bien un grupo capaz de
formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua, y a su vez
tener la cadena hidrocarbonada pequeña. La posibilidad de formación
de enlace de puente de hidrógeno con el agua favorece mucho la
solubilidad. Con estas premisas la sustancia más soluble en agua
será el propanol, ya que puede formar puentes de hidrógeno,
considerándose una molécula medianamente polar.
Las otras
sustancias serán poco o nada solubles.
24
A
El enlace covalente entre dos átomos es el más fuerte, el que
mantiene unidos o ligados a éstos más firmemente, y tiene un carácter
direccional. El enlace por puente de hidrógeno tiene un cierto carácter
covalente, con una cierta direccionalidad, que hace que su magnitud
sea mayor que las fuerzas de Van der Waals. El enlace por puente de
hidrógeno se forma entre un átomo de H perteneciente a una
molécula, con un átomo de O, F o N perteneciente a otra molécula. En
último lugar están las fuerzas de Van der Waals; para los átomos de
los gases nobles estas fuerzas dependen de la polarizabilidad, pero
para moléculas también dependen de la polaridad de éstas.
25
A
Tanto el p-dihidroxibenceno como el o-dihidroxibenceno pueden
formar enlace de puente de hidrógeno, puesto que tienen dos grupos
OH; pero el isómero orto (o-) presenta los grupos OH lo
suficientemente próximos para permitir la formación de enlace de
puente de hidrógeno intramolecular, tal como se representa en el
diagrama. La formación de este enlace disminuye la posibilidad de la
formación del enlace intermolecular y por tanto disminuye la fuerza de
las interacciones intermoleculares; en consecuencia, el isómero para
(p-) presentará un punto de ebullición superior.