Ejercicios: Metales, redes y fuerzas intermoleculares

El agua pura tiene una temperatura de ebullición de $100{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ a la presión de $1{,}0\,\mathrm{atm}$. Al calentar agua líquida hasta su ebullición, se produce la transformación a vapor de agua según el proceso físico $\mathrm{H_2O}\,(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H_2O}\,(\mathrm{g})$.

1. a) Justifique de forma razonada qué tipo específico de interacciones o enlaces se vencen durante la ebullición del agua líquida.
2. b) Explique por qué este proceso físico no rompe los enlaces intramoleculares covalentes $\mathrm{O-H}$ ni descompone el agua en hidrógeno y oxígeno gaseosos.

Considere la serie homóloga de los halógenos moleculares diatómicos: diflúor ($\mathrm{F_2}$), dicloro ($\mathrm{Cl_2}$), dibromo ($\mathrm{Br_2}$) y diyodo ($\mathrm{I_2}$). A $25{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ y $1{,}0\,\mathrm{atm}$, el $\mathrm{F_2}$ y el $\mathrm{Cl_2}$ son gases, el $\mathrm{Br_2}$ es líquido y el $\mathrm{I_2}$ es un sólido.

1. a) Indique la naturaleza del enlace intermolecular que predomina entre estas moléculas homonucleares apolares.
2. b) Justifique la variación observada en el estado de agregación y en los puntos de ebullición a lo largo del grupo descendente de los halógenos.

Se dispone en el laboratorio de dos sólidos cristalinos puros, rotulados como muestra 1 (cobre metálico, $\mathrm{Cu}$) y muestra 2 (cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$). Se mide la conductividad eléctrica de ambos en estado sólido y tras someterlos a fusión térmica.

1. a) Explique por qué el cobre conduce la corriente eléctrica en estado sólido y líquido, basándose en el modelo de la nube de electrones.
2. b) Justifique por qué el $\mathrm{NaCl}$ es un aislante eléctrico en estado sólido pero se convierte en buen conductor eléctrico cuando se funde.

La teoría de bandas explica el comportamiento eléctrico de los materiales a partir de la separación energética entre la banda de valencia y la banda de conducción. En el siguiente diagrama se esquematizan las estructuras de bandas de tres materiales distintos denominados A, B y C.

1. a) Identifique razonadamente cuál de los tres materiales se comporta como conductor metálico, cuál como semiconductor intrínseco y cuál como aislante eléctrico a temperatura ambiente ($25{,}0\,^\circ\mathrm{C}$).
2. b) Explique el efecto que produce un aumento moderado de la temperatura sobre la conductividad eléctrica en el material A frente al material B. La figura es esquemática: los tamaños de las bandas y de los saltos no están dibujados a escala energética.

El diamante y el grafito son dos formas alotrópicas del carbono puro. Ambos constituyen redes covalentes gigantes. A presión atmosférica no presentan una fusión ordinaria: a temperaturas muy elevadas deben considerarse la transformación entre formas y la sublimación del carbono. Sin embargo, el diamante es el mineral más duro conocido y es un aislante eléctrico, mientras que el grafito es un material blando, exfoliante y un excelente conductor eléctrico paralelo a sus planos.

1. a) Describa la hibridación y disposición espacial de los átomos de carbono en el diamante y en el grafito.
2. b) Justifique detalladamente la singular conductividad eléctrica y la capacidad lubricante o exfoliante del grafito a partir de su estructura de enlaces.

Se dispone de las siguientes sustancias moleculares puras: diyodo ($\mathrm{I_2}$), etanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$) y glucosa ($\mathrm{C_6H_{12}O_6}$, que posee cinco grupos hidroxilo $-\mathrm{OH}$). Se ensaya su solubilidad a $20{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ en dos disolventes: agua pura ($\mathrm{H_2O}$) y hexano ($\mathrm{C_6H_{14}}$).

1. a) Justifique por qué el diyodo es escasamente soluble en agua, pero muy soluble en hexano.
2. b) Explique por qué el etanol es completamente miscible en agua y la glucosa es altamente soluble en agua, identificando las interacciones intermoleculares responsables.

Se caracterizan en el laboratorio cuatro sustancias puras después de someterlas a diversas pruebas físicas. Los resultados experimentales se recopilan a continuación:

• Sustancia W: punto de fusión $1710\,^\circ\mathrm{C}$; no conduce la electricidad en estado sólido ni líquido; completamente insoluble en agua y en disolventes orgánicos apolares.

• Sustancia X: punto de fusión $1084\,^\circ\mathrm{C}$; excelente conductor eléctrico y térmico tanto sólido como líquido fundido; maleable y dúctil.

• Sustancia Y: punto de fusión $801\,^\circ\mathrm{C}$; no conduce la electricidad en estado sólido, pero sí fundida o disuelta en agua; sólido quebradizo.

• Sustancia Z: punto de fusión $-23\,^\circ\mathrm{C}$, punto de ebullición $77\,^\circ\mathrm{C}$; no conduce apreciablemente en estado puro, sólido o líquido; soluble en hexano e insoluble en agua.

1. a) Clasifique razonadamente cada sustancia (W, X, Y, Z) en uno de los cuatro tipos de sólidos: iónico, covalente reticular, metálico o covalente molecular.
2. b) Proponga una sustancia química real coherente para cada uno de los cuatro tipos descritos, atendiendo a sus propiedades cualitativas; no necesita memorizar los valores exactos de fusión.

Se comparan las temperaturas de ebullición normales a $1{,}0\,\mathrm{atm}$ y las entalpías molares de vaporización de tres compuestos orgánicos de masa molar similar ($M \approx 44 - 46\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$):

• Propano ($\mathrm{CH_3CH_2CH_3}$): $M = 44{,}1\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$; $T_\mathrm{eb} = -42{,}1\,^\circ\mathrm{C}$; $\Delta H_\mathrm{vap} = 19{,}0\,\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.

• Dimetil-éter ($\mathrm{CH_3OCH_3}$): $M = 46{,}1\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$; $T_\mathrm{eb} = -24{,}8\,^\circ\mathrm{C}$; $\Delta H_\mathrm{vap} = 21{,}5\,\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.

• Etanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$): $M = 46{,}1\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$; $T_\mathrm{eb} = 78{,}3\,^\circ\mathrm{C}$; $\Delta H_\mathrm{vap} = 38{,}6\,\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.

1. a) Analice detalladamente las fuerzas intermoleculares presentes en cada uno de los tres líquidos puros.
2. b) Justifique la marcada diferencia en los puntos de ebullición y en los valores de $\Delta H_\mathrm{vap}$ entre los tres compuestos a pesar de tener masas molares casi idénticas.

El comportamiento mecánico y la conductividad eléctrica de los materiales sólidos dependen de la naturaleza direccional o no direccional de sus enlaces y de la presencia de portadores de carga.

1. a) Compare la respuesta mecánica frente a una tensión de cizalladura o impacto en un metal cristalino (como el hierro, $\mathrm{Fe}$) frente a un cristal iónico (como el fluoruro de calcio, $\mathrm{CaF_2}$), explicando por qué el metal es maleable y el sólido iónico es frágil y quebradizo.
2. b) Analice por qué el cuarzo ($\mathrm{SiO_2}$ reticular) presenta una gran dureza e muy baja solubilidad en agua y disolventes orgánicos habituales que no reaccionen con él, comparando el modelo de bandas de un metal con el carácter aislante del cuarzo.