FinalFebrero 0809 Sol

7/25/2019 FinalFebrero 0809 Sol

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Control Final. Curso 08-09Febrero 2009

NOMBRE y APELLIDOS.................................................................................................

NOTA:En los clculos numricos tenga en cuenta la precisin de las constantes y delas magnitudes que se dan y d el resultado con el nmero de cifras significativasadecuado. La no presentacin de los clculos con el nmero de cifras significativasadecuado ser objeto de penalizacin en la correccin del ejercicio

DATOS:

e=1,6021 10-19C

c= 2,9979. 108m.s-1

h=6,625.10-34J.s

me=9,1091 10-31kg (masa del

electrn)

mp=1,6725 10-27kg (masa del protn)

mn=1,6748 10-27kg (masa del

neutrn)

0=8,85 10-12C2J-1m-1

RH=1,096776. 107m-1(constante deRydberg para el hidrgeno)N=6,022.1023mol-1

1uma= 1,66. 10-24gaO= 0,529

CUESTIONES TERICAS1. (0,5 puntos) Suponga que los tomos de hidrgeno absorben energa demodo que sus electrones se excitan hasta el nivel energticon=7. Despuslos electrones pueden sufrir las siguientes transiciones: (a)n=7 an=1; (b)n=7 an=6; y (c)n=2 an=1. Qu transicin produce un fotn con (i) menorenerga; (ii) mayor frecuencia; y (iii) menor longitud de onda? Explique

brevemente sus respuestas. Haga un esquema del diagrama de los nivelesde energa electrnicos en el tomo de hidrgeno y represente lastransiciones indicadas como (a), (b) y (c).

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El esquema de la izquierda est realizadoteniendo en cuenta que la diferencia de energaentre niveles va disminuyendo progresivamentea medida que aumentan,ya que En= - R(1/n2).

Por tanto:

(i) la transicin de menor energa esn=7an=6

(ii) la transicin de mayor frecuencia esn=7 an=1

(iii) la transicin de menor longitud deonda esn=7 an=1

Esto es as, porqueEn-Em= Efotn= h

=c/Siendo c, la velocidad de la luz.

2.(1 puntos) Responda las siguientes preguntas relativas a los orbitalesatmicos:a)El nmero cunticondescribe y cuantificala energade un orbitalatmico y el nmero cunticoldescribe y cuantificael momentoangular orbital

b)Cuandon= 3, los posibles valores paralson:0, 1, 2c)Qu tipo de orbital se corresponde conl=3?fd)Para un orbital4d, el valor denes4, el valor deles2, y un posiblevalor parames-2e)Cada uno de estos dibujos representa un tipo de orbital atmico.Indique el nombre del orbital y el nmero de planos nodales que tiene.Cuales son estos planos?

Orbital 2px.1 plano nodal, YZ0 superf. esfricas

nodales

Orbital 3dxy.2 planos nodales, YZ y

XZ0 superf. esfricas

nodales

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Control Final. Curso 08-09Febrero 2009f) Un orbital con tres superficies planas nodales es un orbital de tipofg)En qu casos los siguientes orbitales, segn la teora cuntica, nopueden existir: 2s, 3p, 2d, 3f, 5p, 5p? Justifique brevemente surespuesta.

2d y 3f.Las reglas que surgen como consecuencia de que la funcin de onda hade ser aceptable para los tomos, dicen que el valor de l debe serestrictamente menor que n.En el primer caso l=2, por tanto n debe tener una valor al menos de 3En el segundo cal l=3, por tanto n debe tener una valor al menos de 4

h)Diga cual, y por qu, de los siguientes nmeros cunticos noconstituyen un conjunto vlido para un orbital atmico

n l m

3 2 12 1 2 Las reglas que surgen como consecuencia de que la funcin de

onda ha de ser aceptable para los tomos, dicenquemnopuede valer, en valor absoluto, ms que el valor del. As pues,es incorrecto el valor de m=2

4 3 0

i) Cul es el nmero mximo de orbitales y de electrones que pueden

asociarse con cada uno de los siguientes conjuntos de nmeroscunticos? (la respuesta puede ser ninguno).c)n= 2 yl=1. Orbitales 3; Electrones6d)n= 3,ms= 1/2. Orbitales9; Electrones9e)n= 3 yl=3. Orbitalesninguno; Electronesningunof) n= 2 ,l=1, ym= 0. Orbitales1; Electrones2g)n= 2 ,l=1,m= 0, yms= -1/2, Orbitales1; Electrones1h)n= 4 ,l=2,m= 0, yms= 0 Orbitalesninguno; Electrones0

3.(0,4 puntos). A continuacin se da la configuracin electrnica de un

elemento:[Ar]

3d 4

s

a)Cul es la identidad de este elemento (nombre y smbolo)?Elemento de la primera serie de transicin con 7 electrones d:COBALTOCo

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b)Diga si una muestra de este elemento ser paramagntica odiamagntica y por qu.

Ser paramagntica, ya que en su estado fundamental el Co tiene 3electrones con sus espines no apareados, lo que generar un

momento magntico de espn no nulo.

c)Establezca la configuracin electrnica, en la notacin spdfcompleta, de un in +3 de este elemento. Cuntos electronesdesapareados tiene?

En una primera aproximacin y de acuerdo con el diagrama deniveles de energa para los tomos polielectrnicos, dado el valor deZ, la energa de los orbitales 4s es mayor que la de los 3d, por tantoal perder los 3 electrones ms externos, se pierden los 2 electrones4s y 1 electrn d.

1s22s22p63s23p63d6Para respectar la regla de mxima multiplicidad, de los 6 electronesd, 4 estarn desapareados[Ar]

3d 4

s

4.(0,6 puntos) D el nombre y el smbolo del elemento que corresponde acada una de las siguientes caractersticas:

a) Elemento con una configuracin electrnica 1s22s22p63s23p3Fsforo, P

b) El elemento alcalino trreo con el radio atmico ms pequeo.

Berilio, Be

c) El elemento con la mayor energa de ionizacin en el grupo VA 15.Nitrgeno, N

d) El elemento cuyo in +2 tiene la configuracin [Kr] 4d5Tecnecio, Tc

e) El elemento con mayor afinidad electrnica en el grupo VIIA 17Fluor, F

f) El elemento cuya configuracin electrnica es [Xe] 4f145d106s1

Oro, Au

5.(1 puntos) Responda a cada una de las siguientes preguntas. Justifique

convenientemente su respuesta utilizando conceptos propios de la funcinorbital (n, Zef)

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a)De los elementos S, Se y Cl, cul tiene mayor radio atmico?Podemos asociar el radio de un tomo al tamao de su orbital ms externo.En este caso, para el S, el 3p; para el Se, el 4p y para el Cl es 3p.

El tamao de un orbital es inversamente proporcional a Zefy directamenteproporcional a n2.El valor de Zef va aumentando, a medida que se avanza en la tablaperidica, como consecuencia del deficiente apantallamiento de loselectrones entre s.De acuerdo con estas premisas, el radio del Se debe ser mayor que el del S,

ya que, el valor de n es mayor y si bien habr aumento de Zef (laconfiguracin electrnica de la capa de valencia en ambos es la misma), nohabr compensado el aumento en n (En un caso la dependencia es lineal yen el otro cuadrtica).

Por otro lado, el radio de S ha de ser mayor que el del Cl, ya que el valor den para el orbital ms externo de ambos es el mismo, pero la Zef del Cl hade ser mayor, al tener un mayor nmero de electrones con la mismafuncin orbital.En consecuencia el tomo de mayor radio es el Se.

b)Cual tiene mayor radio el Br o el Br-?

La configuracin de la capa de valencia del Br es ns2np5, mientras que la desu anin es ns2np5. En consecuencia el orbital ms externo de ambos

tomos tiene el mismo nmero cuntico n. Sin embargo, la carga nuclearefectiva (Zef = Z-,en donde es suma de todos los efectos deapantallamiento de todos los electrones) del anin es mucho menor que ladel tomo neutro, ya que tiene el mismo valor de Z y un electrn ms.En consecuencia el radio del anin de ser muchsimo mayor que el detomo neutro.

c)Cul de los siguientes tendr la mayor diferencia entre la primera y lasegunda energas de ionizacin: Si, Na, P o Mg?tomo neutro M+ M2+

Si 1s22s22p63s23p2 1s22s22p63s23p1 1s22s22p63s2

Na 1s22s22p63s1 1s22s22p6 1s22s22p5

P 1s22s22p63s23p3 1s22s22p63s23p2 1s22s22p63s23p1

Mg 1s22s22p63s2 1s22s22p63s1 1s22s22p6

Los procesos de los que estamos hablando son:M(g) M+(g) + 1e-; I1

M+(g) M2+(g) + 1e-; I2

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Control Final. Curso 08-09Febrero 2009Evidentemente, no importa de que caso se trate, siempre I2> I1, sin

embargo la diferencia, I2-I1, depender de cual sean las configuracioneselectrnicas de los tomos e iones en cuestin.

Tanto en el Si, como en el P, los sucesivos procesos de ionizacin, noproducen cambios en el valor de n del electrn ms externo. Es de esperarque I1(Si)< I1(P), puesto que el P pierde una configuracin particularmenteestable. Tambin es de esperar que I2(Si)< I2(P), ya que en el primer caso,adquirimos una configuracin el subcapa cerrada. En cuanto a laestimacin de las diferencias entre ellas, es difcil de establecer a priori,pero seguramente no sern significativas, sobre todo si se las compara conel caso del alcalino y alcalino trreo siguientes.Claramente I1(Na)< I1(Mg), ya que el Na pierde un electrn alejado delncleo y muy apantallado, mientras que en el caso del Mg, se pierde laconfiguracin en subcapa cerrada.

Por otro lado I2(Na) > I2(Mg), ya que es ahora el Mg+ el que pierde unelectrn alejado del ncleo para adquirir una configuracin en capacerrada, mientras que en el proceso de pasar de Na+ a Na2+ el valor de ndel electrn de valencia es el mismo.La cuestin slo pregunta por la diferencia entre potenciales de ionizacin

mayor. Claramente esta ha de ser la del Sodio (I2-I1)

d)Cul de los siguientes tiene mayor afinidad electrnica Na, Mg o Al?

Una medida de la afinidad electrnica es la energa del proceso:

M(g) + 1e- M-(g) ; A

Cuanto ms exotrmico sea, mayor ser la afinidad electrnica

tomo neutro M-

Na 1s22s22p63s1 1s22s22p63s2

Mg 1s22s22p63s2 1s22s22p63s23p1

Al 1s22s22p63s23p1 1s22s22p63s23p2

Se ha de razonar, por tanto, sobre la energa de interaccin del nuevoelectrn entrante en el sistema con el ncleo de carga Z.Ciertamente el valor de Zef del electrn de valencia debe ir aumentandodesde el Na hasta el Al, por tanto sera de esperar que esa fuera latendencia de sus afinidades electrnicas. Sin embargo, el anin magnesiotendr su electrn en una configuracin que implica empezar una nuevasubcapa de electrones p, bastante ms difusos i apantallados que loselectrones s, en otras palabras que su afinidad electrnica no ha de sermuy alta.

En el caso del Na implica situar un electrn en un orbital s y cerrar la capay en el caso del Al, situar un electrn en un orbital 2p con un espn

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Control Final. Curso 08-09Febrero 2009desapareado (no se cierra capa). Posiblemente las afinidades electrnicasdel Na y del Al sean muy parecidas y desde luego mucho mayores que lasdel Mg. Pero el aspecto de que el Na-adquiere conformacin en subcapacerrada, parece determinante para asegura que A(Na) > A(Al).

6.(1,5 puntos) Dibuje la estructura de Lewis ms representativa, asignecargas formales atmicas y establezca la forma geomtrica (representacintridimensional indicando el valor aproximado de los ngulos de enlace y lasdirecciones de mayor densidad electrnica de los pares solitarios deelectrones) de las siguientes molculas o iones. Justifique su respuesta

a) BrF3(les propuseBF3); b) I3-; c); d) XeF3

+

a)Electrones de valenciaBr .7

F..7x3=21 ; Total 28; 28-6 (electrones de enlace) = 22 => 18 erepartidos por tres ligandos y 2 pares sobre el central

Forma de Lewis msreprentativa. Todos los tomostienen carga formal 0

Carga formal:F = 7- 2(3) -1 = 0Br = 7- 2(2) -3 = 0

El tomo central est rodeado por 5 pares de electrones =>bipirmidetrigonal.Para minimizar las repulsiones interelectrnicas, los pares de electronesdeben ser ecuatoriales.

La molcula tiene forma de T. Con ngulos de enlace F-Br-F de

180 y 90

b)a1) Electrones de valenciaB .3F..7x3=21 ; Total 24; 24-6 (electrones de enlace) = 18 => 18 erepartidos por tres ligandos

Forma de Lewis msreprentativa. Todos los tomos

Carga formal:F = 7- 2(3) -1 = 0B = 3-3 = 0

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Control Final. Curso 08-09Febrero 2009tienen carga formal 0

El tomo central est rodeado por 3 pares de electrones =>tringuloequiltero

La molcula es plana y los ngulos de enlace son de 120

b) I3-

Electrones de valenciaI . 7x3=21

Anin 1 ; Total 22; 22-4 (electrones de enlace) = 18 => 12 e repartidos pordos ligandos y 3 pares sobre el central

Forma de Lewisms reprentativa.

Carga formal:I (lateral) = 7- 2(3) -1 = 0I(central) = 7- 2(3) -2 = -1


La molcula es lineal. Con ngulos de enlace I-I-I de 180

c) XeO2F2

Electrones de valenciaXe. 8O 2x6=12F. 2x7=14 ; Total 34; 34-8 (electrones de enlace) = 26 => 24 erepartidos por cuatro ligandos y 1 par sobre el central

Formade Lewis msreprentativa.

Carga formal:O = 6- 2(2) -2 = 0F = 7- 2(3) -1 = 0

Xe= 8- 2-6= 0

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Control Final. Curso 08-09Febrero 2009El tomo central est rodeado por 5 pares de electrones =>bipirmidetrigonal.Para minimizar las repulsiones interelectrnicas, los pares de electronesdeben ser ecuatoriales junto a los enlaces dobles

La molcula tiene forma de balancn. Con ngulos de enlaceF-Xe-F de 180 ; F-Xe-O de 90 y O-Xe-O de 120, aproximadamente.

d) XeF3+

Electrones de valenciaXe. 8F 3x7= 21Catin -1 ; Total 28; 28-6 (electrones de enlace) = 22 => 18 e repartidospor tres ligandos y 2 pares sobre el centralLa molcula es anloga a la a)

Forma de Lewis msreprentativa.

Carga formal:F = 7- 2(3) -1 = 0

Xe = 8- 2(2) -3 = +1


La molcula tiene forma de T. Con ngulos de enlace F-Br-F de180 y 90

7.(0,5 puntos) Ms abajo se muestra la estructura de Lewis msrepresentativa de la molcula de 2-furilmetanotiol, que es la que da lugaral olor del caf:a)Cules son las cargas formales sobre el S y el O?Electrones de valencia del S = 6 Electrones de valencia del O = 6

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Enlaces: 2Pares de electrones solitarios: 2Q(S) = 6-2-4= 0

Enlaces: 2Pares de electrones solitarios: 2Q(O) = 6-2-4= 0

b)D un valor aproximado para los ngulos 1, 2 y 3ngulo 1; H-S-Htomo central: Sn pares que lo rodean: 4Distribucin: tetradrica

ngulo de enlace= 109Puesto que hay repulsin de pares de electrones el ngulo ser


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Si los tomos cuatro tomos de C, 2, 3, 4 y 5 estnen el mismo plano y puesto que tiene hibridacin sp2para poder formarlos enlaces pi, la distribucin electrnica del enlace de C2 con elxigeno y de C5 con el oxgeno deben estar en el mismo plano; es decir,O est en el mismo plano que el resto de los tomos de C.

Todas las respuestas deben justificarse convenientemente.

8.(2 puntos) En la molcula del ejercicio anterior, estudie el enlace entre sustomos desde el punto de vista de la teora de Enlaces de Valencia. Es decirestudie cual es la hibridacin de orbitales atmicos que se necesita en cadauno de los tomos para explicar su estructura molecular (recuerde definirlas coordenadas del plano del anillo) y defina cada uno de los enlacesformados en funcin de su carcter sigma o pi. Indique qu orbitalesatmicos han formado esos enlaces. Estudie tambin los pares deelectrones solitarios del tomo de oxgeno y del tomo de azufre.Nota: le resultar muy conveniente numerara los tomos de la molculacon el fin de establecer una mayor claridad a la hora de definir los enlaces.



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El plano del anillo es el plano XY

Tabla de hibridaciones de los orbitales de la capa de valencia en C y O2s 2px 2py 2pz2sp21 2sp22 2sp23

C2*,C3*,C4*,C5*; [He]: 2sp31 2sp32 2sp33 2sp34

C6* [He]: O1* [He]:

Tabla de hibridaciones de los orbitales de la capa de valencia en S

3s 3px 3py 3pz3sp31 3sp32 3sp33 3sp34

S7* [Ne]:

Tabla de Enlaces formados por solapamiento de orbitales atmicosEnlace Orbitales Hbridos o hidrogenoides

atmicos

(O1-C2) 2sp31(O1), 2sp21(C2)

(O1-C5)2sp32(O1), 2sp21(C5)

L1(O1) 2sp33

L2(O1) 2sp34

(C2-C3) 2sp22(C2), 2sp21(C3)

(C2-H13) 2sp23(C2), 1s(H13)

(C2-C3) 2pz(C2), 2pz(C3)

(C3-H12) 2sp22(C3), 1s(H12)

(C3-C4) 2sp23(C3), 2sp21(C4)

(C4-H11) 2sp2

2(C4), 1s(H11) (C4-C5) 2sp

23(C4), 2sp22(C5)



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(C4-C5) 2pz(C4), 2pz(C5)

(C5-C6) 2sp23(C5), 2sp31(C6)

(C6-H10) 2sp32(C6), 1s(H10)

(C6-H9) 2sp33(C4), 1s(H9) (C6-S7) 2sp

34(C6), 3sp31(S7)

(S7-H8) 3sp32(S7), 1s(H8)

L1(S) 3sp33

L2(S) 3sp34

9.(1 puntos) Qu tipos de fuerzas intermoleculares debe vencerse en el I2slido cuando se disuelve en metanol CH3OH? Qu tipo de fuerzas sealteran entre las molculas de metanol cuando se disuelve el yodo? Qutipos de fuerzas existen entre las molculas de yodo y las de metanol endisolucin? Justifique todas las respuestas que d basndose en susconocimientos sobre la estructura molecular de los compuestos en

cuestin.

El I2es una molcula diatmica homonuclear, portanto no es inica, ni tiene momento dipolarpermanente. Las nicas fuerzas que pueden existirentre sus molculas son del tipo de dispersin deLondon, (dipolo instantneo-dipolo inducido) y portanto sern stas las que se rompern entre estasmolculas cuando se disuelvan en un disolvente.Estas fuerzas son los suficientemente importantes

para mantener al yodo en estado slido: slidomolecular

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Enlaces de hidrgeno

El metanol es CH3OH es una molculadipolar especial, ya que el fuerte dipolo delenlace OH, puede dar lugar a la formacinde enlaces de hidrgeno intermolecularescon los tomos de oxgeno de otra molculade metanol. As pues, entre sus molculaslas fuerzas predominantes sern las deenlaces de hidrgeno, que son interacciones

relativamente fuertes y son las quemantienen al metanol en estado lquido atemperatura ambiente y que son las quehabr que romper cuando las molculas desoluto (yodo) se intercalen entre lasmolculas de disolvente (metanol)

El Yodo no puede dar enlaces de hidrgeno, pero es una molcula

fuertemente polarizable, ya que es una molcula con un peso molecularimportante, lo que quiere decir que tiene muchos electrones y sobre todo,tiene muchos electrones en su capa de valencia.Cmo se ha dicho anteriormente la molcula de metanol es fuertementedipolar, as que, cuando est cerca de una molcula de yodo, generar unfuerte dipolo inducido. Por tanto, las interacciones dipolo-dipolo inducidoson las predominantes entre el soluto y el disolvente en las disoluciones de

yodo molecular en metanol.

PROBLEMA NUMRICO

10.(1,5 puntos) Asuma que los ojos de una persona reciben una seal queconsta de luz azul,= 470 nm. La energa de la seal es de 2,50.10-14JCuntos fotones llegan a sus ojos? Compare el valor anterior de energacon la que tendra un nmero igual de electrones cuya longitud de ondaasociada tuviera el mismo valor que la del fotn azul mencionado. Si sequiere determinar la posicin de este electrn con una precisin de 2 Qu incertidumbre se tendr en la determinacin de su velocidad?

a)

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Energa de un fotn: h= h(c/) = =

m

smsJ

'

&!"

10."%0

()*10.''%'+(.*10.$#+$

4,23.10-19J/fotn

N Fotones = 2,50.10-14/4,23.10-19= 6.104

b) 6.104electrones ;= 470 nm; p= h/= 1,41.10-27

E = (1/2) p2/m = 1,09.10-24J/electrnEtotal= 6.104. 1,09.10-24= 6,55.10-20J

c)x.p =x.m.v >= h/42.10-10. 9,1091 10-31v >=6,625.10-34/ 4. 3,14

v = 3.105m/s

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Ejercicios para subir nota:

11.Emplee sus conocimientos de las tendencias en los tamaos atmicos de

los elementos y explique brevemente por qu la densidad de los elementosaumenta del K al V de acuerdo con la siguiente grfica:

ResumenExplicar que la masa va aumentando a medida que Z aumenta en un periodo,

ya que aumenta progresivamente el nmero de protones y de neutrones y que,

sin embargo el volumen va disminuyendo. Aunque en este caso concreto quese trata de elementos de transicin, el aumento de volumen no es muyacusado. Puesto que la densidad es el cociente de la masa y el volumen, si elnumerador aumenta y el denominador disminuye, su aumento con Z es unhecho esperado.

12.En la molcula de las cuestiones 7 y 8 Se le ocurre alguna otra manera dehibridar los OA del Oxgeno, de manera que algunos de ellos puedanformar parte del sistema de enlaces pi del anillo? Explquelo.

Resumen:Si el O tuviera hibridacin sp2dispondra de electrones de tipo p paraformar enlaces de tipo pi con los tomos de carbono. Esto aumentara laresonancia electrnica de la molcula, ya que habra ms estructuras deresonancia de Lewis y rebajara la energa del sistema total.

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