Principios Fundamentales de Química: Electrones, Ácidos y Reacciones

Pregunta 1: Estructura Atómica y Principio de Exclusión

Respuestas basadas en el examen de Junio de 2001.

a. Principio de exclusión de Pauli

El principio de exclusión de Pauli establece que en la estructura electrónica de un átomo no pueden existir dos electrones que tengan los cuatro números cuánticos iguales (n, l, m_l, m_s).

A continuación, se evalúan varias configuraciones electrónicas:

• 1s2 2s2 2p7: Incumple el principio de exclusión de Pauli. En un orbital tipo p, el número máximo de electrones es 6, ya que solo hay 3 orbitales (m_l = -1, 0, +1) y cada uno puede albergar 2 electrones con espines opuestos. Las combinaciones posibles son: (n, 1, -1, +½), (n, 1, -1, -½), (n, 1, 0, +½), (n, 1, 0, -½), (n, 1, 1, +½), (n, 1, 1, -½). Por lo tanto, con 7 electrones, al menos dos de ellos en la última capa deberían tener los cuatro números cuánticos idénticos.
• 1s2 2s3: Incumple el principio de exclusión de Pauli. En un orbital tipo s, el número máximo de electrones es 2. Las combinaciones posibles son: (n, 0, 0, +½), (n, 0, 0, -½). Con 3 electrones en el nivel 2s, al menos dos de ellos tendrían los cuatro números cuánticos iguales.
• 1s2 2s2 2p5: Cumple el principio de exclusión de Pauli. Esta configuración es válida.
• 1s2 2s2 2p6 3s1: Cumple el principio de exclusión de Pauli. Esta configuración es válida.

b. Identificación de elementos

• 1s2 2s2 2p5: Corresponde a un halógeno. Su ión más estable es el anión con carga (-1), ya que al ganar un electrón adquiere la configuración de gas noble.
• 1s2 2s2 2p6 3s1: Corresponde a un metal alcalino. Su ión más estable es el catión con carga (+1), ya que al perder un electrón adquiere la configuración de gas noble.

Pregunta 2: Ácidos Orgánicos y Disociación

a. Nomenclatura

• Ácido 2-cloroetanoico: CH2Cl-COOH
• Ácido 2-hidroxipropanoico: CH3-CHOH-COOH
• Ácido 3-hidroxibutanoico: CH3-CHOH-CH2-COOH
• Ácido propanoico: CH3-CH2-COOH

b. Grado de disociación

El grado de disociación de un ácido es directamente proporcional al valor de su constante de acidez (K_a). A mayor valor de la constante, mayor es el grado de disociación.

La constante de un ácido es el cociente entre el producto de las concentraciones de los iones disociados y la concentración del ácido sin disociar en el equilibrio. Si aumenta la constante, significa que la concentración de ácido disociado es mayor y, por tanto, el equilibrio de disociación del ácido está más desplazado hacia la derecha (hacia los productos).

De los ácidos propuestos, el más disociado es el 2-cloroetanoico, ya que su constante es la mayor.

c. Valoración con NaOH y pH

Al ser todos ácidos débiles en mayor o menor medida, el pH en el punto de equivalencia de su valoración con una base fuerte como el NaOH será mayor que 7.

El valor del pH en este punto será directamente proporcional a la fortaleza de la base conjugada del ácido. Dado que la fortaleza de una base conjugada es inversamente proporcional a la del ácido del que proviene, la base conjugada más fuerte corresponderá al ácido más débil. En este caso, es el propanoato (base conjugada del ácido propanoico) y, por tanto, será la que dé un mayor valor de pH en su valoración con NaOH.

Pregunta 3: Equilibrio Químico

b. Influencia de la presión (Principio de Le Châtelier)

La presión influye en aquellos equilibrios en los que el número de moles en fase gaseosa de los reactivos es distinto al número de moles en fase gaseosa de los productos.

• Si se aumenta la presión, el equilibrio se desplaza hacia donde hay un menor número de moles gaseosos (donde el sistema ocupa menos volumen).
• Si se disminuye la presión, el equilibrio se desplaza hacia donde hay un mayor número de moles gaseosos (donde el sistema ocupa más volumen).

Ejemplos:

• 2N2O5(g) ⇌ 4NO2(g) + O2(g)
  En los reactivos hay 2 moles de gas y en los productos hay 5 moles (4+1). Al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, que es donde el sistema ocupa menos volumen.
• N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)
  En los reactivos hay 4 moles de gas (1+3) y en los productos hay 2 moles. Al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, que es donde el sistema ocupa menos volumen.

Pregunta 4: Cinética y Termodinámica

• a. FALSO. La velocidad de una reacción no depende directamente de su variación de entalpía (ΔH). La entalpía indica si una reacción es exotérmica o endotérmica, pero no cuán rápida es.
• b. FALSO.
• c. VERDADERO.
• d. VERDADERO, si está referida a la velocidad de la reacción inversa. FALSO, si se refiere a la velocidad de la reacción directa.

Pregunta 5: Reacciones Orgánicas y Química Industrial

a. Reacción química

Etano + Cloro → Cloroetano + Ácido clorhídrico

b. Tipo de reacción

Se trata de una reacción de sustitución por radicales libres. Los alcanos reaccionan con los halógenos (especialmente el cloro y el bromo) en presencia de luz ultravioleta o calor, dando una mezcla de derivados de sustitución a través de un mecanismo radicalario.

c. Producto y subproducto

En este caso, el producto de interés es el cloroetano. El HCl (ácido clorhídrico) se considera un subproducto, ya que generalmente no tiene el mismo interés práctico, industrial o comercial en el contexto de esta síntesis específica.

d. Obtención de HCl

El ácido clorhídrico se puede obtener por varios métodos:

1. Como subproducto del Método Leblanc: En la obtención industrial de Na₂CO₃, una de las primeras etapas es:
   2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl
2. Por síntesis directa: Es el principal procedimiento industrial para obtener HCl de alta pureza. Consiste en quemar hidrógeno en una atmósfera de cloro. El HCl gaseoso resultante se disuelve posteriormente en agua.