11 los átomos y sus enlaces

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11 LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
E J E R C I C I O S
P R O P U E S T O S
11.1 ¿Por qué el modelo nuclear de átomo permite explicar el resultado de la experiencia de las partículas
que rebotan en la lámina de oro?
Por lógica, un proyectil de ese tamaño y energía, debería atravesar por igual la materia si esta fuera del modo sugerido por Thomson.
La única posibilidad de que una partícula vuelva de vuelta es que encuentre en su camino un punto con una gran concentración de
carga positiva, responsable de la repulsión. Ello ocurre con muy pocas partículas, prueba del tamaño de este núcleo casi puntual.
11.2 El espesor de la lámina de oro del experimento de Rutherford era de 106 m y tenía unas mil capas de
átomos. ¿Cuál es el radio aproximado de un átomo?
Para un espesor de 1m, con 1000 átomos, sale un diámetro de 109 m; por tanto, el radio será 5 1010 m, es decir 5 Å. Comparado
con 1014 resulta que el núcleo tiene un radio 50 000 veces menor.
21
11.3 ¿Cuántos electrones tiene en la corteza el átomo 10
Ne? ¿Cómo están distribuidos en niveles y subniveles?
En estado neutro, el Ne tiene 10 protones y 10 electrones, distribuidos así:
Nivel (n)
1
Subniveles
s
s
p
2
2
6
Electrones por subnivel
2
2
2
6
Es decir, 1s 2s 2p
11.4 Indica si es verdadero o falso el siguiente enunciado: “El subnivel 3p tiene más energía que el 3d, y por
eso se llena antes”.
El enunciado es falso, el subnivel 3p tiene menos energía que el 3d y por eso se llena antes.
11.5 Completa la tabla con la estructura electrónica del átomo de fósforo y compáralo con su situación en
el sistema periódico.
La estructura electrónica del fósforo es:
Nivel (n)
1
2
3
Subniveles
1s
2s
2p
3s
3p
Electrones por subnivel
2
2
6
2
3
3d
Es decir, 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. En la tabla se sitúa en el grupo 15.
11.6 La estructura 2 s2 2 p2 representa los cuatro electrones de valencia del carbono. Escribe la estructura
de la capa de valencia para C, C2, C2.
C: 2s2 2p2
C2: 2s2 2p4
C2: 2s2
11.7 ¿Por qué los elementos Li, Na y K tienen parecidas propiedades químicas?
Las propiedades químicas dependen de la disposición de los electrones en la corteza del átomo, dado que todos ellos tienen la misma
estructura electrónica (ns 1) en la última capa, todos presentan propiedades similares.
11.8 Clasifica las siguientes sustancias en moléculas o cristales: metano (CH4), nitrógeno (N2), magnesio,
azufre (S 8) y bromuro de sodio (NaBr).
Metano (CH 4), molécula; nitrógeno (N2), molécula; magnesio, cristal; azufre (S8), molécula; bromuro de sodio (NaBr), cristal.
11.9 ¿Pueden existir cristales de cuarzo con distinto número total de átomos? ¿Y moléculas de nitrógeno con
distinto número total de átomos?
Lógicamente, dependiendo del tamaño del cristal de cuarzo, tendrán distinto número de átomos. No así para la molécula de nitrógeno,
que siempre será N2 y tiene dos átomos de nitrógeno.
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11.10 ¿Qué tienen en común las estructuras electrónicas de 9F,
10
Ne y
11
Na? Extrae una conclusión.
Sus estructuras electrónicas son:
F: 1s2 2s2 2p6
9
10
Ne: 1s2 2s2 2p6
11
Na: 1s2 2s2 2p6
Todas estas especies tienen la misma estructura electrónica y se denominan isoelectrónicas. Ello es debido a la tendencia de los
elementos (F y Na en este caso) a adquirir la configuración electrónica de los gases nobles (Ne) a base de ganar o perder electrones
(o de compartir, como posteriormente se verá).
11.11 Dados los dos sistemas mostrados en la ecuación química (átomos separados y átomos unidos), ¿a cuál
le corresponde mayor energía y por qué? N N → N2
Asociamos el estado de mayor energía al sistema más inestable (N N). Los átomos de nitrógeno tienden a unirse en el estado N 2,
por tanto a este le corresponde menor energía y más estabilidad.
11.12 Los átomos de los metales se disponen en el espacio de forma muy ordenada y compactada, ¿qué
puede predecirse de su densidad? Pon algunos ejemplos de densidad de metales.
En general, ello implica que la densidad del estado sólido será muy elevada.
Estos son algunos ejemplos de densidad de metales: hierro, 7,87 g/cm3; plomo, 11,30 g/cm3; oro, 19,30 g/cm3.
11.13 Define las palabras dúctil, maleable, duro y tenaz. Relaciónalas con determinados metales y pon
ejemplos de aplicaciones donde se requieran estas propiedades.
Dúctil: capaz de ser convertido en hilos.
Maleable: capaz de ser convertido en láminas.
Duro: que ofrece resistencia a ser rayado.
Tenaz: viene del latín tenax, “que tiene o aprieta”. En castellano, sirve para cualificar lo resistente o fuerte.
Todas ellas son propiedades que presentan los metales en distinta proporción, ya que depende de cada metal y algunas de estas
propiedades no son aplicables a todos (por ejemplo, no corresponden a un metal líquido como el mercurio).
11.14 Dibuja y explica el diagrama de Lewis para las moléculas CH4 y Cl2.
Cl2:
HHH
HH
Cl Cl
H H
HCH
HH
ClCl
H H
·· ··
H
H H H
H
H ··C·· H
CH4:
11.15 A temperatura ambiente, el Cl2 es gas, el Br2 es líquido y el I 2 es sólido. ¿Qué puede decirse del valor
de las fuerzas intermoleculares en estas sustancias?
Las fuerzas intermoleculares crecen en el orden Cl, Br, I. Cuanto mayor y más deformable es el átomo, más intensas son estas fuerzas.
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11.16 Corrige si es necesario los siguientes símbolos de Lewis.
B
O
He
O
Mg
B
Mg
He
11.17 ¿Por qué el diamante es tan duro? ¿Cómo se podría rayar un diamante?
Se trata de un cristal covalente con enlaces muy fuertes entre sus átomos. Se podría rayar con otro diamante.
11.18 Se dice que la red de cloruro sódico tiene una coordinación (6, 6). Explica lo que significa esta
expresión.
Significa que hay 6 iones de signo opuesto rodeando cada ion.
11.19 ¿Qué tipo de elementos del sistema periódico originan al unirse compuestos iónicos?
Los compuestos iónicos se originan al unirse átomos de metales, que pierden fácilmente electrones, con átomos de no metales, con
tendencia a ganar electrones.
11.20 Explica la frase: “La fórmula NaBr no expresa una unidad molecular, sino que la proporción de bromo
a sodio en el compuesto es 1 : 1”.
En efecto, no existe la unidad molecular NaBr, sino la red cristalina formada por muchos iones sodio y muchos iones bromo, en la
proporción 1 a 1.
11.21 Describe las etapas de formación del compuesto iónico CaCl2.
a) Formación de los iones. El átomo de calcio pierde dos electrones: Ca → Ca2 2 e. Cada átomo de cloro adiciona uno:
2 Cl 2 e → 2 Cl.
b) Atracción eléctrica entre iones positivos y negativos formados.
c) Formación de redes cristalinas. Los iones se colocan tan próximos como sea posible, teniendo en cuenta su tamaño y la proporción
en que se encuentran.
C I E N C I A
A P L I C A D A
11.22 ¿Qué proporción de oro puro hay en el oro de 18 quilates? ¿Cuánto oro puro habrá en una sortija
de 25 g de oro de 14 quilates?
El oro puro se describe como de 24 quilates.
18
La aleación de 18 quilates contiene: 100 75% de oro.
24
14
El oro de 14 quilates contiene: 100 58,3% de oro. Por tanto, en la sortija hay 0,583 25 14,6 g de oro puro.
24
11.23 Estudia la citada página de internet e imagina un “invento” revolucionario para el futuro a base de
aleaciones con memoria de forma.
Aviones que modifiquen la forma de sus alas, de manera que tengan mucha más maniobrabilidad.
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D E
A P L I C A C I Ó N
11.24 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
a) Aproximadamente, a la vez que la ordenación de Mendeléiev surge la de L. Meyer.
b) Hasta que aparece el modelo nuclear de átomo, no se hace la que hoy consideramos ordenación definitiva
de los elementos.
c) La ordenación de Mendeléiev es según la masa atómica creciente y es la ordenación definitiva.
La opción a) es la única verdadera.
11.25 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y por qué.
a) El modelo nuclear es la contribución más importante de Niels Bohr a la idea de átomo.
b) La constitución del núcleo determina el color de la llama cuando se hace el espectro de un elemento.
c) El tercer postulado de Bohr dice que cuando el electrón se mueve en su órbita, emite una radiación
equivalente a su energía.
d) Las letras s, p, d y f designan los subniveles electrónicos en la corteza atómica, de modo que cada nivel
tiene esos cuatro subniveles.
a) Falso. Esa contribución corresponde a Rutherford, no a Bohr.
b) Falso. El color de la llama viene determinado por los movimientos de los electrones en la corteza.
c) Falso. El electrón solo emite energía cuando pasa de un nivel energético a otro.
d) Falso. Cada nivel tiene tantos subniveles como indica su número: uno para n 1, dos para n 2…
11.26 El litio tiene dos isótopos cuya abundancia es 7,5% de Li 6 y 92,5% de Li 7. Halla su masa atómica
media.
92,5
7,5
Masa atómica media: 6 · 7 6,925 u.
100
100
11.27 Explica la analogía que presenta el gráfico con el modelo de Bohr. ¿Cómo se forma una raya
espectral?
El balón, al igual que el electrón en la corteza atómica, debe estar en uno u otro escalón y no puede ocupar posiciones intermedias
(decimos que su energía está cuantizada). El balón (electrón) emite energía cuando cae de un escalón alto a otro más bajo.
11.28 Completa la tabla siguiente (si es necesario, consulta la tabla periódica).
Elemento
Ca
Mg
Si
Sn
207
2
282Pb
Z
20
12
14
50
82
N.o de neutrones
21
14
14
69
125
A
41
26
28
119
207
N.o de electrones
20
13
14
50
80
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11.29 El gráfico representa una propiedad de las redes cristalinas. ¿De qué red se trata y de qué propiedad?
¿Dicha estructura será frágil?
Se trata de una red metálica, en la que los nudos están ocupados por los cationes del metal. Describe la propiedad de la ductilidad y
maleabilidad. Es lo contrario de la fragilidad, propiedad propia de las redes iónicas.
11.30 Realiza una tabla con la estructura electrónica de los elementos Z 5, 11, 12, 13, 31, 32. ¿Cuáles de
ellos presentarán propiedades análogas y por qué?
Z
5
11
12
13
31
32
1
1s2
1s2
1s2
1s2
1s2
1s2
2
2s2
2s2
2s2
2s2
2s2
2s2
3
2p1
2p6
2p6
2p6
2p6
2p6
3s1
3s2
3s2
3s2
3s2
3p1
3p6
3p6
4
3d10
3d10
4s2
4s2
4p1
4p2
Presentan análogas propiedades los que tienen la misma estructura electrónica, es decir: 5, 13 y 31.
P R O B L E M A S
D E
S Í N T E S I S
11.31 Demócrito dijo: “Aparte de átomos y espacio vacío, nada existe; lo demás es opinión”.
a) ¿Qué modelo atómico ha demostrado la veracidad de esa cita? ¿Dónde se halla ese espacio vacío?
b) Si el núcleo tuviera el tamaño de un balón de fútbol (20 cm de diámetro) y pusiéramos dos átomos
juntos, corteza con corteza, ¿qué distancia habría entre sus núcleos?
Datos. Radio atómico: 1 Å (amstrong) 1010 m
Radio de un núcleo 10 Fm (fermio) 1014 m
a) El modelo nuclear de Rutherford. Más allá del núcleo, que ocupa una diminuta parte del espacio atómico, hay un amplio espacio
que decimos vacío, ya que los electrones que lo ocupan apenas representan nada en cuanto a la masa del átomo.
b) Comprando las dimensiones de núcleo y átomo, se ve que el radio de este es 10 000 veces el del núcleo. Por tanto, llevando dicha
comparación al balón de fútbol, la distancia entre sus núcleos sería:
10 (cm) 10 000 100 000 cm 1 km
11.32 El diámetro de un átomo de carbono es de 1,54 Å.
a) Expresa este diámetro en metros y nanómetros.
b) ¿Cuántos átomos de carbono podrían alinearse en el ancho de una raya de lápiz de 0,2 mm de espesor?
a) 1,54 Å 1,54 1010 m 0,154 nm
b) El diámetro de un átomo es 1,54 1010 m, para cubrir 0,2 103 m, hacen falta:
0,2 103 (m)
1,3 106 átomos
1,54 1010 (m/átomo)
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11.33 Completa la tabla con la estructura electrónica del átomo de Al y compáralo con su situación en la tabla.
Nivel (n)
1
2
3
Subniveles
Electrones por subnivel
a) Haz una tabla similar con la estructura electrónica del dibujo. ¿De qué átomo se trata?
b) ¿A qué átomo se refiere la estructura electrónica 1 s2 2 s2 2 p6 3 s1? ¿Cuántos electrones de valencia
tiene?
Nivel (n)
1
Subniveles
s
s
p
s
p
2
2
6
2
1
Electrones por subnivel
2
3
d
1
Le corresponde estar en el grupo “p ”, es decir el de los térreos.
a)
Nivel (n)
1
2
3
Subniveles
s
s
p
Electrones por subnivel
2
2
5
s
p
d
Según vemos, la estructura es la de un átomo de la fila 2, columna de los halógenos, se trata por tanto del flúor.
b) Observamos la tabla periódica, fila 3, columna de los alcalinos, y resulta ser el sodio (Na). Tiene un electrón de valencia.
11.34 Indica, poniendo sí o no, las propiedades que cabe esperar de las siguientes sustancias.
Sustancia
Hg
KCl
SiO2
O2
Sólido a temperatura ambiente
no
sí
sí
no
Soluble en agua
no
sí
no
no (poco)
Conductor en estado sólido
sí
no
no
no
11.35 El resultado de quemar cinta de magnesio en presencia de aire es un compuesto iónico. ¿De qué
compuesto se trata? Describe la formación del enlace y las propiedades que pueden esperarse para él.
A veces dicho compuesto se prescribe como medicamento. Investiga con qué fin en la página
www.e-sm.net/fq4eso26.
Se forma óxido de magnesio (MgO).
Formación del enlace:
Primera etapa: formación de los iones. Mg → Mg2 2e; O 2e → O2.
Segunda etapa: atracción electrostática entre los iones.
Tercera etapa: formación de la red iónica de MgO.
Sus propiedades son las de cualquier cristal iónico (consultar el texto).
Se utiliza como antiácido estomacal.
11.36 Las temperaturas de fusión de estos sólidos aparecen desordenadas en la tabla.
Fructosa
Sal común
Grafito
Oro
801 C
95 C
1064 C
3500 C
a) Ordénalas y explica los criterios seguidos para hacerlo.
b) ¿Qué tipo de sustancia y de enlace es característico de cada uno?
c) ¿Cuáles de ellos conducen la electricidad en estado sólido?
a) y b)
Fructosa
Sal común
Grafito
Oro
95 C
801 C
3500 C
1064 C
Los extremos son los más fáciles de reconocer: el grafito es un sólido covalente enormemente estable y la fructosa un sólido
molecular de bajo punto de fusión. Al grafito le sigue el metal y la sal iónica.
c) Conduce la electricidad en estado sólido el oro (como todos los metales) y el grafito (como excepción entre los sólidos covalentes).
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11.37 La masa atómica del Br es 79,916. Sabiendo que está formado por dos isótopos de A 79 y A 81,
halla el porcentaje de cada isótopo.
Suponemos una abundancia del x% para el Br-79. Es decir:
x
100 x
· 79 81 79,916 u
100
100
Resolviendo, sale una abundancia del 54,2% Br-79 y 45,8% del Br-81.
PA R A
P E N S A R
M Á S
11.38 Analiza las estructuras electrónicas dadas en la tabla siguiente y responde.
n
1
2
3
7
3
2
A
1s
16
18
B
1 s2
2 s2
2 p4
40
18
C
1 s2
2 s2
2 p6
18
18
D
1 s2
2 s2
2 p6
3 s2
3 p6
a) ¿Cuál de ellos es ion negativo o positivo?
b) ¿Cuál es un gas noble?
c) ¿En cuál es más alta la relación de neutrones a protones en el núcleo?
d) ¿Cuáles son isótopos entre sí? Si su abundancia relativa es del 99,8% para el más ligero y del 0,2% para
el más pesado, halla su masa atómica media.
e) Consulta la tabla periódica y di cuáles son los elementos A, B, C y D.
a) A es un ion monopositivo. D es un ion dinegativo.
b) C es un gas noble.
c) En A.
d) Son isótopos B y D. Calculamos su masa atómica media: 0,998 16 0,002 18 16,004 u.
e) A es litio, C es argón, B y D son oxígeno.
11.39 ¿Qué tipo de enlace y de compuesto formarán los elementos X e Y cuando se unen de este modo:
XX, XY, YY?
a) X es un halógeno, Y es un alcalino.
b) X es el hidrógeno, Y es el carbono.
a) La unión XX para un halógeno daría lugar al compuesto covalente X 2: sustancia molecular con las características propias de estas
sustancias.
La unión XY daría lugar a un enlace iónico de fórmula empírica YX, con las propiedades de los cristales iónicos.
La unión YY daría lugar a una red metálica con las propiedades de los metales.
b) XX sería ahora el H2.
XY daría lugar al metano: CH4.
YY da lugar a diversos sólidos covalentes, como carbón, grafito y diamante.
11.40 La utilidad de algunos metales, y también su peligrosidad, se ha descubierto recientemente. Es el caso,
por ejemplo, del cadmio.
a) Investiga su presencia en la naturaleza, sus propiedades y sus efectos sobre la salud en www.e-sm.net/fq4eso16.
b) El cadmio participa en una curiosa aleación denominada “metal de Wood”, con un punto de fusión
de 70 C. ¿Qué usos puede tener una aleación de estas características?
a) Cuando la gente respira cadmio, este puede dañar severamente los pulmones. Puede incluso causar la muerte. El cadmio primero es
transportado hacia el hígado por la sangre. Allí se une a proteínas para formar complejos que son transportados hacia los riñones,
donde se acumula y daña el mecanismo de filtración.
b) La aleación conocida como “metal de Wood” tiene la siguiente composición: Bi (50%), Pb (25%), Sn (12,5%), Cd (12,5%). Al tener
tan bajo punto de fusión es muy útil para fabricar fusibles y rociadores automáticos para incendios, etc.
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11.41 La tabla recoge características de las sustancias A, B y C.
Conduce la electricidad
Sustancia
T. F. (C)
A
B
C
Densidad (kg/m3)
650
101
714
Solubilidad en agua (g/L)
1740
3,2
2320
Sólido
Líquido
Sí
No
No
Sí
No
Sí
Nula
7,2
542
a) Describe las propiedades de A, B y C e identifica el tipo de enlace de cada una.
b) Las sustancias MgCl 2, Mg, Cl 2 cumplen las condiciones estipuladas para A, B y C. ¿Cuál es cada una?
c) Haz el diagrama de Lewis de Cl 2.
d) Describe las etapas de formación del enlace del MgCl 2.
e) ¿Qué volumen ocupará un sacapuntas de magnesio de 12 g de masa?
a) A es un metal; B es una sustancia molecular gaseosa a temperatura ambiente; C es un cristal iónico.
b) A: Mg; B: cloro; C: cloruro de magnesio.
(2s2 2p5)
ClCl
ClCl →
c) Cl·
(2s2 2p6)
d) Primera etapa: formación de los iones.
Mg → Mg2 2 e
2 Cl 2 e → 2 Cl
Segunda etapa: atracción electrostática entre los iones.
Tercera etapa: formación de la red iónica de MgCl 2.
e) Tomamos el dato de la densidad del magnesio: 1740 kg/m3, es decir, 1,74 g/cm3 y resulta:
12
m
V 6,9 cm3
1,74
d
T R A B A J O
1
E N
E L
L A B O R AT O R I O
¿Por qué conducen la corriente eléctrica los electrolitos? ¿Y los metales?
Por la presencia de cargas libres o iones. En los metales es por la movilidad de sus electrones. Se llaman conductores de segunda y de
primera especie respectivamente.
2
¿En qué grupo se incluirían los que hemos estudiado como sólidos moleculares? ¿Qué ocurriría con azúcar fundido y con sal fundida?
Los sólidos moleculares son no electrólitos, no dan lugar a cargas libres, ni sólidas, ni fundidas, ni en estado gaseoso.
Metales
Cobre
3
Sólidos iónicos
Sal común
Sulfato de cobre (II)
Sólidos moleculares
Azúcar
Azufre
Electrolitos
Sal común
Sulfato de cobre (II)
HCl
No electrolitos
Azúcar
Azufre
Etanol
Agua destilada
¿Por qué la bombilla se ilumina fuertemente en el sistema agua con HCl y débilmente en etanol con
HCl? Describe lo que ocurre en cada uno de los vasos de precipitados con sólidos disueltos.
El HCl es un electrolito fuerte al disolverse en agua y la disolución contiene muchos iones que transportan la corriente. El HCl se
ioniza mucho menos en etanol, de forma que hay menos iones en la disolución, y esta conduce menos.