QuímicaFácilProblema · 2 pts

Problema resuelto de Química: Estructura atómica y números cuánticosSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2025 · Junio

También trata: Enlace químico y geometría molecular

Enunciado

El cloro se presenta en la naturaleza en forma de dos isótopos,

{}^{35}_{17}\text{Cl}

{}^{37}_{17}\text{Cl}

, con unas abundancias relativas del

75{,}8\ \%

24{,}2\ \%

, respectivamente.

a) Deduzca el número de protones, neutrones y electrones que contiene un átomo de cada isótopo. (0,5 puntos)

b) Calcule el número de átomos de cada isótopo presentes en una muestra de 10 litros de

\text{Cl}_2(g)

, a

25\ ^\circ\text{C}

y 1 atm. (0,5 puntos)

Conteste a una de las siguientes cuestiones:

c1) Aplicando la regla del octeto, deduzca la fórmula empírica del compuesto formado por los elementos Cl y O. Razone si se trata de una especie química soluble en agua. (1 punto)

c2) Considere las moléculas

\text{SiCl}_4

\text{SCl}_2

. Escriba su estructura electrónica de Lewis, deduzca su geometría molecular y discuta su polaridad. (1 punto)

Datos (de la tabla periódica y de constantes del examen): Z: O = 8, Si = 14, S = 16, Cl = 17.

R = 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}

;

N_A = 6{,}022\cdot 10^{23}\ \text{mol}^{-1}

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Resultado

{}^{35}\text{Cl}

: 17 protones, 17 electrones y 18 neutrones;

{}^{37}\text{Cl}

: 17 protones, 17 electrones y 20 neutrones.

b)

3{,}73\cdot 10^{23}

átomos de

{}^{35}\text{Cl}

1{,}19\cdot 10^{23}

{}^{37}\text{Cl}

(0,409 mol de

\text{Cl}_2

).

c1)

\text{OCl}_2

: angular y polar, por tanto soluble en agua.

c2)

\text{SiCl}_4

\text{AX}_4

, tetraédrica y apolar.

\text{SCl}_2

\text{AX}_2\text{E}_2

, angular y polar.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

En la notación

{}^{A}_{Z}\text{X}

, el número de abajo (

Z

) es el de protones, que en el átomo neutro coincide con el de electrones; el de arriba (

A

) cuenta protones más neutrones. Los isótopos solo se diferencian en los neutrones.

En b) se calculan los moles de

\text{Cl}_2

con la ecuación de los gases ideales; cada molécula tiene dos átomos, y las abundancias dicen qué fracción de esos átomos es de cada isótopo.

En c) todo sale de los electrones de valencia: cuántos le faltan a cada átomo para el octeto (cuántos enlaces forma) y cuántos pares solitarios le quedan al átomo central. Con la TRPECV se deduce la geometría, y de la geometría, si los momentos dipolares de los enlaces se anulan o no.

Desarrollo

a) Partículas de cada isótopo

Los dos isótopos tienen

Z = 17

: 17 protones y, al ser átomos neutros, 17 electrones. Los neutrones son

N = A - Z

Isótopo	Protones	Electrones	Neutrones
${}^{35}_{17}\text{Cl}$	17	17	$35 - 17 = 18$
${}^{37}_{17}\text{Cl}$	17	17	$37 - 17 = 20$

b) Moles de Cl₂

Con

T = 25 + 273{,}15 = 298{,}15\ \text{K}

y comportamiento ideal:

n(\text{Cl}_2) = \frac{PV}{RT} = \frac{1\ \text{atm}\cdot 10\ \text{L}}{0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}\cdot 298{,}15\ \text{K}} = 0{,}409\ \text{mol}

Átomos de cloro. Cada molécula de

\text{Cl}_2

tiene dos átomos:

N(\text{Cl}) = 2\,n(\text{Cl}_2)\,N_A = 2\cdot 0{,}409\cdot 6{,}022\cdot 10^{23} = 4{,}93\cdot 10^{23}\ \text{átomos}

Átomos de cada isótopo, con sus abundancias:

N({}^{35}\text{Cl}) = 0{,}758\cdot 4{,}93\cdot 10^{23} = 3{,}73\cdot 10^{23} \qquad N({}^{37}\text{Cl}) = 0{,}242\cdot 4{,}93\cdot 10^{23} = 1{,}19\cdot 10^{23}

c1) Fórmula del compuesto de Cl y O

Configuraciones electrónicas:

\text{O}\ (Z = 8):\ 1s^2\,2s^2\,2p^4 \qquad \text{Cl}\ (Z = 17):\ [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5

Al oxígeno le faltan dos electrones para el octeto (tiene dos desapareados) y al cloro uno. El oxígeno completa su octeto formando dos enlaces covalentes simples, uno con cada átomo de cloro, que con ese único enlace completa también el suyo: la fórmula es

\text{OCl}_2

(también escrita

\text{Cl}_2\text{O}

).

Geometría y polaridad. El oxígeno central tiene 2 pares de enlace y 2 pares solitarios (tipo

\text{AX}_2\text{E}_2

): los cuatro pares se orientan hacia los vértices de un tetraedro y la molécula es angular. Los enlaces O–Cl son polares y, en una molécula angular, sus momentos dipolares no se anulan: la molécula es polar.

Solubilidad. «Lo semejante disuelve a lo semejante»: una molécula polar interacciona bien con las moléculas polares del agua (fuerzas dipolo-dipolo), así que es de esperar que el

\text{OCl}_2

sea soluble en agua. (De hecho, además de disolverse, reacciona con ella y forma ácido hipocloroso.)

c2) Estructuras de Lewis

Electrones de valencia: Si, 4 (

3s^2\,3p^2

); S, 6 (

3s^2\,3p^4

); Cl, 7 (

3s^2\,3p^5

SiCl₄ ( $4 + 4\cdot 7 = 32$ electrones): el Si forma cuatro enlaces simples Si–Cl, uno con cada cloro, y completa su octeto sin pares solitarios; cada Cl conserva tres pares solitarios.
SCl₂ ( $6 + 2\cdot 7 = 20$ electrones): el S forma dos enlaces simples S–Cl y le quedan dos pares solitarios; cada Cl conserva tres pares solitarios.

Estructuras de Lewis: SiCl4 con cuatro enlaces simples y sin pares solitarios en el silicio; SCl2 con dos enlaces simples y dos pares solitarios en el azufre; cada cloro con tres pares solitarios

Geometría (TRPECV). En las dos moléculas el átomo central se rodea de 4 pares de electrones, que se dirigen a los vértices de un tetraedro:

$\text{SiCl}_4$ , tipo $\text{AX}_4$ : los cuatro pares son de enlace, así que la molécula es tetraédrica (ángulos de $109{,}5^\circ$ ).
$\text{SCl}_2$ , tipo $\text{AX}_2\text{E}_2$ : solo dos pares son de enlace; la molécula es angular, con un ángulo algo menor de $109{,}5^\circ$ porque los pares solitarios repelen más.

Polaridad. Los enlaces Si–Cl y S–Cl son polares (el Cl es más electronegativo).

En el $\text{SiCl}_4$ los cuatro momentos dipolares, iguales y dirigidos a los vértices de un tetraedro regular, se anulan: molécula apolar.
En el $\text{SCl}_2$ los dos momentos dipolares forman un ángulo y su suma no es cero: molécula polar.

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

En b) el error más frecuente es olvidar que el cloro gaseoso es diatómico: los moles de $\text{Cl}_2$ hay que multiplicarlos por dos para tener los de átomos antes de repartirlos entre los isótopos.

En c2) cada polaridad vale 0,20 puntos en los criterios, más que cada estructura de Lewis o cada geometría (0,15): no basta con decir que los enlaces son polares, hay que razonar con la geometría si los momentos dipolares se anulan o no. Di siempre el tipo $\text{AX}_m\text{E}_n$ , la geometría y la conclusión, por ese orden.