Concentración, solubilidad y enlaces químicos: tabla periódica, modelo de Bohr y estequiometría

Ejercicios y explicaciones corregidas de química

1. Diferencia los siguientes pares de conceptos

Concentración y solubilidad

• Concentración: Es la cantidad de soluto que hay disuelta en una determinada cantidad de disolvente o disolución (por ejemplo, en agua).
• Solubilidad: Es la capacidad máxima de una sustancia para disolverse en un solvente a una temperatura dada (por ejemplo, la solubilidad en agua).

Enlace iónico y enlace covalente

• Enlace iónico: Se forma entre átomos diferentes, típicamente entre un metal y un no metal. Hay transferencia de electrones de un átomo a otro, formando iones.
• Enlace covalente: Se forma entre átomos (a menudo no metales) que comparten pares de electrones. En algunos casos puede ser entre átomos iguales o diferentes.
• Propiedades generales: Los compuestos iónicos suelen tener puntos de fusión y ebullición altos y ser solubles en agua; los covalentes suelen tener puntos de fusión y ebullición más bajos (varía según el tipo de enlace y estructura).

Grupo y periodo

• Grupo: Son las columnas de la tabla periódica. Los elementos de un mismo grupo presentan propiedades químicas semejantes y el mismo número de electrones en la capa de valencia (en la misma familia).
• Periodo: Son las filas de la tabla periódica. Indican el número de niveles o capas electrónicas ocupadas por los electrones del átomo.

Cambio físico y cambio químico

• Cambio físico: Transformación en la que no varía la naturaleza de la sustancia (por ejemplo, cambios de estado: sólido ↔ líquido ↔ gas).
• Cambio químico: Transformación en la que se altera la naturaleza de la materia; se forman nuevas sustancias con propiedades distintas (reacciones químicas).

2. Explica el modelo atómico de Bohr

Bohr integró la idea del átomo nuclear de Rutherford con conceptos de la incipiente física cuántica. En 1913 formuló una hipótesis sobre la estructura atómica basada en tres postulados principales:

• El electrón se mueve en órbitas circulares estables alrededor del núcleo, cada una con una energía determinada.
• Sólo son permitidas las órbitas cuyas velocidades cumplen la condición de cuantización del momento angular: mvr = h / (2π) (donde h es la constante de Planck).
• Cuando un electrón salta de una órbita de mayor energía a otra de menor energía, emite energía en forma de radiación electromagnética (luz). Si absorbe energía, puede pasar a una órbita de mayor energía.

Aplicado al átomo de hidrógeno:

• El átomo de hidrógeno tiene un núcleo con un protón.
• Posee un electrón que gira en la primera órbita alrededor del núcleo; esa órbita corresponde al estado de menor energía (estado fundamental).
• Si al electrón se le comunica energía, puede saltar a una órbita de mayor energía; al regresar a la primera órbita, emitirá energía en forma de radiación luminosa.

3. Configuración electrónica y tipo de enlace (Na, Cl; H, O)

Datos: números atómicos: Na = 11; Cl = 17; H = 1; O = 8.

• Na (Z = 11): 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. En la última capa (nivel 3) tiene 1 electrón de valencia.
• Cl (Z = 17): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. En la última capa (nivel 3) tiene 7 electrones de valencia.
• H (Z = 1): 1s¹. Tiene 1 electrón (valencia 1).
• O (Z = 8): 1s² 2s² 2p⁴. En la segunda capa tiene 6 electrones de valencia.

Tipos de enlace esperados:

• Na y Cl: El sodio (metal) tiende a perder su electrón de valencia (3s¹) para formar Na⁺, y el cloro (no metal) tiende a ganar un electrón para formar Cl^-. Por tanto, forman un enlace iónico y el compuesto resultante es NaCl (cloruro de sodio).
• H y O: El hidrógeno y el oxígeno forman enlaces covalentes en la molécula de agua (H₂O). Cada H comparte su electrón con el O; el oxígeno completa su octeto compartiendo dos pares de electrones (enlaces covalentes).

Nota: En el documento original aparece la fórmula "NaClO" con nomenclatura "hipoclorito sódico (lejía)". Esa es otra especie (contiene O). La correcta fórmula de la sal binaria entre sodio y cloro es NaCl (cloruro de sodio). El hipoclorito sódico es NaClO (lejía), y su nomenclatura y fórmula son distintas a NaCl.

4. Nombra o formula los siguientes compuestos

• CO₂ = Dióxido de carbono
• Óxido de hierro (II) = FeO
• NaCl = Cloruro de sodio
• Amoniaco = NH₃
• HCl = Ácido clorhídrico
• Ácido sulfúrico = H₂SO₄
• CaCO₃ = Carbonato de calcio
• Óxido de plata = Ag₂O (si se desea indicar el hidróxido, hidróxido de plata = AgOH)
• KOH = Hidróxido de potasio
• Nitrato potásico = KNO₃

5. Reacción entre aluminio y ácido sulfúrico: datos y cálculos

Enunciado: Se tratan 6 g de aluminio en polvo con 50 mL de disolución 0,6 M de H₂SO₄ y se obtiene Al₂(SO₄)₃ y H₂. Calcular:

A. Ecuación ajustada de la reacción

Masas atómicas usadas: Al = 27; S = 32; O = 16; H = 1.

Ecuación balanceada:

2 Al + 3 H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3 H₂

B. Reactivo en exceso

Cálculo de moles de H₂SO₄:

Volumen = 50 mL = 0,050 L; Molaridad = 0,6 M → moles H₂SO₄ = 0,050 L × 0,6 mol·L^-1 = 0,03 mol H₂SO₄.

Relación estequiométrica: 3 mol H₂SO₄ reaccionan con 2 mol Al. Por tanto, moles de Al necesarios para 0,03 mol de H₂SO₄:

n(Al) = 0,03 mol H₂SO₄ × (2 mol Al / 3 mol H₂SO₄) = 0,02 mol Al.

Masa de Al necesaria = 0,02 mol × 27 g·mol^-1 = 0,54 g Al.

Como disponemos de 6 g de Al y sólo se necesitan 0,54 g para consumir el ácido presente, el aluminio está en exceso y el reactivo limitante es el H₂SO₄.

C. Volumen de hidrógeno obtenido en condiciones normales (CN)

Según la ecuación, 3 mol H₂SO₄ producen 3 mol H₂; es decir, 1 mol H₂SO₄ produce 1 mol H₂. Por tanto, moles H₂ formados = 0,03 mol.

En condiciones normales (CN) 1 mol de gas ocupa 22,4 L. Usando la plantilla del documento original (señalizada con imágenes):

0,03 mol H₂SO₄ * * = 0,672 L H₂

Esto corresponde a 0,03 mol × 22,4 L·mol^-1 = 0,672 L de H₂ (672 mL) en CN.

D. Masa de Al₂(SO₄)₃ obtenida por evaporación

De la estequiometría, 3 mol H₂SO₄ producen 1 mol Al₂(SO₄)₃. Por tanto, moles de Al₂(SO₄)₃ formados:

n = 0,03 mol H₂SO₄ × (1 mol Al₂(SO₄)₃ / 3 mol H₂SO₄) = 0,01 mol Al₂(SO₄)₃.

Masa molar de Al₂(SO₄)₃ = 2×27 + 3×(32 + 4×16) = 54 + 3×96 = 54 + 288 = 342 g·mol^-1.

Masa obtenida = 0,01 mol × 342 g·mol^-1 = 3,42 g Al₂(SO₄)₃.

En la presentación original se muestran también los pasos con imágenes en las posiciones indicadas; dichas etiquetas se mantienen aquí según la instrucción:

Observación final: He corregido ortografía, puntuación, uso de mayúsculas y minúsculas, y algunas precisiones químicas (por ejemplo, nombres de compuestos y fórmula de Bohr). No se ha eliminado ningún marcador de imagen ni se ha suprimido contenido esencial solicitado.