Tarea Química II Terminado

Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC)

Área: Ciencias Básicas y Ambientales

Asignatura: Química II

Sección: 08 Profesor: Izaskun Uzcanga

Tarea: Familias Químicas

Integrantes: Laura Marie Bourget Tuero 12-0194 Javier Santiago 12-0570 Bernardo Florencio 12-0659 Virginia Jiménez 12-0661

Fecha de Entrega: Martes 4 de junio de 2013

Problema 1.a) Explique por qué, en general, no pueden obtenerse los metales alcalinos por electrólisis de soluciones acuosas de sus sales. No se pueden obtener metales alcalinos por electrólisis de sus soluciones acuosas porque en las mismas pueden reducirse dos especies: H2O o el catión del metal alcalino. El potencial de reducción del agua (E = -0.83 V) es mayor que el de todos los metales alcalinos, por lo que H2O siempre se reducirá para formar H2 (g) y OH- (ac) y no se reducirán los iones del metal, por lo que no se podrán obtener metales alcalinos mediante este proceso. b) ¿Qué técnica se utiliza para su obtención industrial? ¿Qué factores inciden en su precio de venta? Para su obtención industrial se utiliza la electrólisis de sus sales fundidas, proceso mediante el cual se puede realizar la reducción de los cationes de los metales alcalinos. La dificultad de obtención de sus sales inciden en su precio de venta. c) ¿Cómo deben conservarse estos metales? Como reaccionan violentamente con el agua y el aire, los metales alcalinos se deben conservar en queroseno, petróleo, otros hidrocarburos o en gases inertes. Problema 2.Escriba las ecuaciones correspondientes a la reacción de las siguientes sustancias con el agua: • peróxido de potasio 2 K2O2 + 2 H2O  4 KOH + O2 • superóxido de potasio 4 KO2 + 2 H2O  4 KOH +3 O2 • óxido de litio LiO2 + H2O  2 LiOH • nitruro de litio Li3N + 3 H2O  3 LiOH + NH3 Problema 3.Se quema en presencia de aire una muestra de Na, obteniéndose una mezcla compuesta de 5% de óxido de 95% de peróxido. Los productos de combustión se tratan con exceso de agua, generándose 125 ml de O2 (medidos sobre agua) a 25 C y 778.0 mmHg de presión. ¿Cuál era el peso de la muestra de sodio?

8 Na (s) + 3 O2 (g) → 2 Na2O (s) + 2 Na2O2 (s) 5% 95% 2 Na2O (s) + 2 Na2O2 (s) + 4 H2O (l) → 8 NaOH (ac) + O2 (g) 125 mL

Problema 4.Aún cuando la energía necesaria para la formación del Mg+ es menor que la necesaria para la formación del Mg2+, la gran mayoría de los compuestos contienen al ión Mg2+. Justifique este hecho, cuantitativamente, usando el cloruro de magnesio como ejemplo. Busque en tablas los datos que necesite. El hecho de que la mayoría de compuestos contengan al dicatión Mg 2+ y no al monocatión Mg+ puede ser explicado utilizando el ciclo de Born-Haber para calcular la entalpía de formación de Mg2+(Cl-)2 (que resultaría en MgCl2), comparando el resultado con la entalpia de formación de Mg +Cl-, que resultaría en la formación de una supuesta molécula MgCl. ΔHf de Mg2+(Cl-)2 ΔHf = ΔH1 + ΔH2, donde ΔHf es la entalpía del proceso directo, ΔH1 es la entalpía de formación de iones gaseosos a partir de átomos gaseosos, y ΔH2 es la entalpia de formación de pares iónicos a partir de los iones. ΔHf = ΔH1 + ΔH2 = *ΔHI1 (Mg) + ΔHI2 (Mg) + 2(ΔHAE (Cl))+ + ΔH2 = 736 kJ/mol + 1450 kJ/mol + 2(-349 kJ/mol) – 2260 kJ/mol = -772 kJ/mol ΔHf de Mg+Cl-

ΔHf = ΔH1 + ΔH2 = *ΔHI1 (Mg) + ΔHAE (Cl)] + ΔH2 = 736 kJ/mol – 349 kJ/mol – 565 kJ/mol = -178 kJ/mol

Problema 5.Discuta las propiedades químicas del berilio, comparativamente con los demás del grupo a) b) c) d) e)

reacción en agua o en álcali. reacción en medio ácido. reacción del BeF2 en exceso de fluoruros reacción de BeCl2 en agua. estructuras de BeO y de BeS.

a) Las reacciones de los metales del grupo 2 con el oxígeno y el agua se incrementan en vigor al descender del grupo. El berilio se vuelve menos activo químicamente en presencia de aire mediante una capa superficial protectora de óxido. El berilio no reacciona con el agua, aun cuando está al rojo vivo, su película de óxido protector sobrevive incluso a altas temperaturas. Los metales reducen los iones de hidrógeno a gas hidrogeno, pero el berilio no disuelven en ácido nítrico, debido a que se vuelven pasivos por una película de óxido. El Hidruro de Berilio es violentamente descompuesto por el agua incluso a -196 ºC. El berilio mismo es prácticamente insoluble en agua pero se disuelve en ácidos minerales diluidos. También son insolubles en agua el hidróxido de berilio y el óxido de berilio; en cambio son solubles en agua el nitrato de berilio y el sulfato de berilio: 424 g/l (a 25° C). Los hidruros de álcalis dan reacciones más violentas que las de los propios metales con agua. El berilio muestra un indicio de carácter no metálico. Los polvos de berilio pueden formar mezclas explosivas al combinarse con el aire. b) La reacción entre un metal y un ácido o una sal metálica se ajusta al patrón general siguiente: A + BX --> AX + B. Estas reacciones se llaman reacciones de desplazamiento porque el ion en solución es desplazado o sustituido por un elemento que se oxida. Muchos metales sufren

reacciones de desplazamiento con ácidos para formar sales e hidrógeno gaseoso. Su óxido es anfótero, por lo que frente a ácidos fuertes reacciona como si fuera básico y frente a bases fuertes reacciona como si fuera ácido. Los demás metales alcalinotérreos forman óxidos básicos únicamente. c) hdh

d) La molécula BeCl2 tiene los enlaces polarizados debido a la gran diferencia de electronegatividad de los elementos, pero al ser los enlaces opuestos, la suma de los momentos dipolares de los enlaces es cero, y en consecuencia, la molécula es apolar. Por lo tanto es insoluble en el agua. la diferencia de electronegatividades (3,2-1,5) da menos que dos, por lo tanto el enlace tendrá cierta covalencia, y si tiene covalencia, tiene sentido plantear una estructura de Lewis como la siguiente: Cl-Be-Cl donde al Be no le quedan pares libres, la geometría es lineal, y por lo tanto las densidades de carga se cancelan entre sí. Es decir, que el BeCl2 frente al agua no reacciona pero tampoco se mezclan. El berilio solo forma enlaces covalentes, nunca iónicos como los demás del grupo 2A. Por lo tanto, la reacción de BeCl 2 no resultará en una disociación de los iones que lo forman y no conduce la electricidad. Los demás cloruros de metales alcalinotérreos son solubles en agua.

e) El óxido BeO, tiene estructura wurstzita (4PT) y el BeS tiene estructura de blena de cinc (6PT). Ambas tienen estructura diatómicas. La estructura de BeO y BeS es tetraédrica, mientras que la de los demás óxidos y sulfuros del grupo es octaédrica. Problema 6.En relación a las propiedades del litio: a) justifique por qué el LiOH es base más débil que NaOH. b) justifique por qué el fluoruro y el fosfato de litio son poco solubles. c) por qué el cloruro es un hidrato (y los otros alcalinos no), se hidroliza ligeramente en solución acuosa, y además se disuelve en solventes orgánicos. d) el carbonato se descompone fácilmente al calentar. e) escriba las reacciones de disolución del litio en alcoholes (ROH) y en amoníaco.

a) Cuando las bases se ionizan completamente en las soluciones se llaman "bases sólidas". Las bases que se ionizan parcialmente en soluciones se llaman "bases débiles". Las soluciones acuosas de bases conducen la electricidad y es directamente proporcional a la concentración de iones en solución. Por lo tanto, las soluciones de bases fuertes conducen la electricidad mejor que las soluciones de bases débiles. En la tabla periódica, de arriba a abajo en los grupos de metal, la fuerza de la base de los compuestos aumenta. Ejemplo: LiOH Al (OH) 3 La fuerza de compuestos H aumenta a medida que avanzamos de izquierda a derecha y de arriba a abajo en la tabla periódica. b) c) Porque se hidrata el cloruro de sodio frente a la humedad del ambiente, en muy pequeñas cantidades, por lo que los cristales quedan algo unidos entre sí, por lo tanto si añades calor al NaCl hidratado se libera agua y los cristales de NaCl quedan separados entre sí La reacción química sería: NaCl*xH2O --> NaCl + H2O, donde x representa la cantidad de agua hidratada a la sal. Por otro lado, en disolución, el litio cede electrones con más facilidad, a pesar de la mayor energía de ionización del litio, porque el tamaño pequeño del ion litio permite a las moléculas de agua aproximarse mucho al centro del ion y hacen completamente estable el ion hidratado. d) Al bajar en el grupo, los carbonatos de los metales del grupo 1 se hacen cada vez más estables con respecto a la descomposición térmica. Los carbonatos de litio y magnesio se descomponen fácilmente al calentar para dar Li2O y CO2 y MgO y CO2, respectivamente. MCO3(s) MO(s) + CO2 (g) Temperatura descomposición aumenta en el grupo e)

Problema 7.¿Qué especies predominantemente covalentes formarán los metales alcalinos y alcalinotérreos (aparte de las moléculas M2)? BeCl2  (BeCl2 ) 2  BeH 2  (BeEt2 ) 2 

Problema 8.a) ¿Cuál es la estructura reticular de los hidruros alcalinos? Los hidruros de los alcalinos presentan redes tridimensionales típicamente iónicas, iguales a las de NaCl, (Cl- se sustituye por H-). Ésta es una estructura cúbica donde todas las posiciones octaédricas son ocupadas por dos átomos iguales pero diferentes a los originales y los iones de Cl y Na se alternan en las tres direcciones principales del espacio. b) ¿Cuáles son sus reacciones frente al agua y al aire? Todos los hidruros alcalinos son considerados compuestos iónicos, y es por ello que la mayoría conduce electricidad en su estado fundido. La reacción con la totalidad de estos metales es violenta y exotérmica. Estos compuestos son iónicos y se clasifican como sales. Los hidruros de los metales reaccionan enérgicamente con el agua, liberando hidrogeno: NaH + HOH ------ NaOH + H2.

Problema 9.a) Busque información acerca de la forma en que los halógenos aparecen en los distintos reservorios, y de sus abundancias relativas. b) Busque información acerca de los principales usos de flúor, cloro, bromo, yodo. Halógeno Forma en que se Reservas (a) Tasa de uso (a) encuentra (a) Flúor Fluoroapatita, criolita, Más de 1.25 x 108 5 x 106 ton por fluorita ton año Cloro NaCl Más de 1013 ton 1.86 x 108 ton por año Bromo NaBr Casi ilimitado 333,000 ton por año Iodo Salmuera, nitratos, 2.6 x 106 ton 12,000 ton por iodatos año

El flúor abunda en la naturaleza, proviniendo la mitad del cloro. Principalmente se presenta en los minerales espato flúor, CaF2, criolita, Na3AlF6 y flourapatito Ca5F(PO4)3, El cloro no existe libre en la naturaleza, pero es el más abundante de los halógenos (0,2 %) en estado de combinación y se presenta como anión cloruro

en el agua del mar, pozos salinos, y yacimientos de sales, combinado con los cationes Na+, K+, Mg2+ y Ca2+. También se encuentran grandes yacimientos de cloruro en algunos lugares de la corteza terrestre, los cuales se originan al secarse ciertos mares interiores. El bromo se presenta como anión bromuro en el agua marina, en los pozos de agua salada y en los yacimientos salinos, también las cenizas de las algas de mar, en combinación con la plata se encuentra en algunos puntos, formando el mineral bromuro de plata, su abundancia no llega a la centésima parte del cloro. El yodo es el único de los halógenos que se presenta naturalmente en un estado de oxidación positivo. Aparte de los compuestos, en los que forma aniones I- (en el agua del mar y pozos salinos), se halla también como yodato de sodio, NaIO3, mezclado en pequeñas cantidades con la nitratina, NaNO3. Usos de los haluros: Flúor Algunos compuestos de flúor (tal como fluoruro sódico, fluoruro estañoso y monofluorofosfato de sodio) se añaden a los dentífricos para prevenir las caries dentales. También se añaden habitualmente al agua. Los anestésicos más generales son derivados de compuestos de flúor. El flúor-18 es un isótopo artificial que emite positrones se usa en la topografía por emisión de positrones. Los revestimientos anti reflectantes contienen compuestos de flúor. El flúor puede utilizarse para la fabricación de pantallas de plasma, pantallas planas y sistemas micro electromecánico. El ácido fluorhídrico se utiliza para grabar vidrio, generalmente las bombillas. El flúor se utiliza en un paso de la producción de halones (gases extintores de incendios) tales como freón. El flúor se utiliza para obtener uranio puro a partir de hexafluoruro de uranio. Los compuestos de flúor se utilizan en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Algunos antibióticos de amplio espectro (que actúan contra una amplia gama de bacterias) contienen flúor. Bromo El mayor uso de bromo es la creación de retardantes de llama. Cuando esta sustancia se quema el bromo aísla el fuego del oxígeno causando que este se apague. Los compuestos de bromuro, en particular el bromuro de potasio, se utilizan en los círculos médicos como anticonvulsivos. También se utilizan los veterinarios. La mayoría de los países limitan seriamente el uso y la disponibilidad de las sales de bromo para uso humano debido al hecho de que causan disfunciones neurológicas.

Las sustancias bromadas son ingredientes importantes de muchos medicamentos de venta libre y medicamentos con receta, como analgésicos, sedantes y los antihistamínicos. De hecho, los compuestos de bromo son los ingredientes activos en varios medicamentos que tratan la neumonía y la adicción a la cocaína. El bromo se utiliza para crear aceites vegetales bromados que se utilizan como emulsiona en algunas marcas de bebidas gaseosas. Se utiliza en la purificación las aguas industriales, desinfectantes e insecticidas. El bromo se utiliza para reducir la contaminación por mercurio de las plantas eléctricas de carbón. Esto se puede lograr ya sea por tratamiento de carbón activado con bromo o mediante la inyección de compuestos de bromo sobre el carbón antes de su combustión. También se utiliza para crear diferentes tintes de color en la industria textil. Cloro Se utiliza (por lo general un determinado compuesto de cloro) para matar las bacterias en las piscinas y en el agua potable. También se utiliza en los desinfectantes y blanqueadores por la misma razón. El cloro es muy efectivo contra la bacteria E. coli. El cloro se utiliza para fabricar plásticos. El PVC (cloruro de polivinilo) está hecho de cloro. El PVC se utiliza para hacer ropa, pisos, cables eléctricos, tubos flexibles y tuberías, figuras (estatuas), camas de agua y estructuras inflables. El PVC también se utiliza actualmente para hacer las tejas del techo. Se utiliza en la extracción de bromo. El cloruro de metilo, otro compuesto importante de cloro, se utiliza como un anestésico. También se utiliza para hacer ciertos polímeros de silicona y se utiliza para extraer grasas, aceites y resinas. El cloroformo, que contiene cloro, se utiliza como un disolvente común en los laboratorios de ciencias. También se utiliza para matar gusanos en las heridas de los animales. El tricloroetileno se utiliza para desengrasar piezas de metal. Yodo El yodo se añade a casi cualquier sal. Es un ingrediente del pan, los peces marinos y las plantas oceánicas.Muchas medicinas y limpiadores para heridas de la piel contienen yodo. También es un ingrediente de las tabletas purificadoras de agua que se usan para preparar agua potable. El yodo es un material de construcción de las hormonas tiroideas que son esenciales para el crecimiento, el sistema nervioso y el metabolismo.

El yodo 131 es uno de los radio nucleídos involucrados en las pruebas nucleares atmosféricas. Se encuentra entre los radionucleidos de larga.

Problema 10.a) ¿Por qué el I2 es prácticamente insoluble en agua pero se disuelve fácilmente en CCl4? Porque el agua es un compuesto polar y el iodo diatómico es apolar. Por esto mismo es soluble en el tetracloruro de carbono, que también es apolar. b) ¿Por qué la solubilidad del I2 en agua se incrementa sensiblemente por agregado de KI? Al agregar KI a la mezcla de agua e I2, este se disocia en iones I-. La presencia de estos iones en la solución causa que el yodo gaseoso forme iones poliyoduro con los mismos, aumentando su solubilidad. Problema 11.a) HF presenta el punto de fusión y ebullición más alto que otros haluros. Explique. b) Representa la estructura del (HF)6. c) La reacción entre flúor e hidrógeno gaseosos es extremadamente exotérmica y produce la temperatura más alta conocida para una llama. Vincule este hecho con las energías de enlace involucradas (las energías de enlace H-H, F-F y H-F son respectivamente 436, 151 y 568 kJ/mol). Proponga una interpretación a la tendencia observada en las mismas. d) Los puntos de ebullición del HF y del HCl son 19.5 y -84.9 C, respectivamente . Justifique con bases moleculares. a) Se debe al gran numero de enlaces de hidrógenos que cada molécula tiene en relación a su baja masa molecular y a la gran fuerza de estos enlaces de hidrogeno. Estos atributos también se deben por la dificultad de romper estos enlaces. b)

c) Se dice que la energía de enlace es la energía necesaria para romper un enlace específico de 1 mol al estado gaseoso, entonces cuando se forma 1 mol del mismo tipo de molécula la magnitud de la energía es igual pero de signo contrario; es decir, libera energía. Por lo tanto hemos llegado a la conclusión, de que a mayor energía de enlace mayor será la energía liberada. Siendo así la energía de enlace del HF mayor que la del F2 y H 2, y por tanto su llama tiene mayor temperatura. d)

Problema 12.a) Algunos halógenos pueden obtenerse en el laboratorio a partir de sus haluros mediante un oxidante como MnO2. Indique cuál/es no podrían obtenerse por este método. Justifique. Escriba las ecuaciones completas y balanceadas. MnO2 (s) + 2 Cl(aq) + 4 H(aq)  Mn (aq) + Cl2 (g) + 2H2O (l) 2KI (s) +MnO2 (s) + 3H2 SO4  I2 (ac) + 2KHSO4 + MnSO4 + 2H2O MnO2 + 4 H+ + 2 Br-  Mn2+ + 2 H2O + Br2 El flúor es elemento más electronegativo de los halógenos, por lo cual solamente puede tener 2 números de oxidación, (0)(como en F2) y -1 en sus compuestos. Por lo tanto no puede obtenerse por este método. b) El bromo puede obtenerse a partir de bromuros usando ácido sulfúrico concentrado, en caliente. Escriba las ecuaciones correspondientes. Demuestre termodinámicamente la factibilidad de este proceso. Pequeñas cantidades de bromo se pueden obtener mediante la reacción entre el bromuro de sodio (NaBr) y concentraciones de ácido sulfúrico (H 2SO4). En un principio el gas bromuro de hidrogeno (HBr) se forma. El gas se oxida por medio del ácido sulfúrico en bromo y dióxido de sulfuro. NaBr (s) + H2SO4 (l) → HBr (g) + NaHSO4 (s) 2HBr (g) + H2SO4 (l) → Br2 (g) + SO2 (g) + 2H2O (l).

Problema 13.Ordene los oxácidos del cloro según la acidez creciente. Interprete la tendencia, en términos de efecto inductivo y de resonancia.

El grado de acidez aumenta con la: Electronegatividad, el número de oxidación y el número de oxígenos unidos al Halógeno. Oxácidos Ácido perclórico HCLO4 Ácido Clórico HCLO3 Ácido Cloroso HCLO2 Acido Hipocloroso HCLO

Por su efecto inductivo

Numero de oxidación del cloro +7 +5 +3 +1



Por su efecto de resonancia

Atrae electrones



Libera electrones

Mientras mayor sea el número de oxidación del cloro mayor será la atracción de los electrones. Mientras menor sea el número de oxidación del cloro mayor será la liberación de electrones. Problema 14.a) Calcular la masa de KClO3 que se puede obtener de la reacción de 50 litros de Cl2 (g) medidos a 25 C y 1 atm, con KOH (aq) caliente y concentrado. b) ¿Qué masa de KClO3 se podría obtener empleando la misma cantidad de Cl2 con KOH (aq) diluido y frío? c) Explique la naturaleza diferente de las reacciones en a) y b) al hacer reaccionar el cloro en medio alcalino. Use el diagrama de potenciales apropiado para explicar cada reacción y busque que pasaría en medio ácido o neutro. Problema 15.Describa el proceso de obtención electrolítica de flúor, precisando la materia prima, la especie activa en el proceso, y el fundamento de c/u de las condiciones de trabajo. El flúor se obtiene mediante un proceso llamado Método de Moissan. Este proceso se lleva a cabo mediante la electrólisis de una mezcla fundida de HF y KF o en una celda metálica monel. La celda tiene un cátodo de acero y un ánodo de C, separados por una pantalla de monel. Este procedimiento debe realizarse en condiciones anhidras ya que el H2O tiene un potencial de reducción más alto que el F-.

Problema 16.El cloruro de sodio es utilizado en diversos procesos industriales: producción de sal de mesa, elaboración de alimentos de consumo humano, elaboración de alimentos para animales, proceso Down, proceso cloro-sosa. Describa el proceso Downs de electrólisis de NaCl (I): a) Escriba las semireacciones correspondientes, indique cuáles son las matrias primas, cuáles son los productos, y qué otros compuestos intervienen en el proceso. b) Describa las condiciones de trabajo del proceso. c) ¿Por qué se trabaja con la sal fundida? ¿Qué rol cumple el agregado de KCl al medio? d) ¿Cuál es el interés de este proceso de producción? El NaCl se electroliza cuando se encuentra fundido. Dicha electrólisis se lleva a cabo en una celda, llamada celda de Downs, que posee un ánodo de C y un cátodo de He. El Na metálico formado en los cátodos se encuentra en estado líquido. Dado que el Na metálico líquido es más ligero que el NaCl fundido, el Na flota hacia la superficie y se recolecta. El gas Cl se forma en el ánodo y se recolecta en la parte superior. Se utiliza una mezcla de KCl, también puede ser CaCl2 o KF, junto con NaCl para disminuir el punto de fusión con la finalidad de reducir la temperatura de trabajo en la celda. El punto de fusión del NaCl está entre los 800 y 810 °C y al agregar el KCl baja a los 580°C. a. Ánodo (oxidación): 2Cl–(l)  Cl2(g) + 2e– Cátodo (reducción): 2Na+(l) + 2e–  2Na(l) Reacción global: 2Na+(l) + 2Cl–(l)  2Na(l) + Cl2(g) La materia prima es sal de mesa y los productos son Na metálico líquido y Cl gaseoso. Otros compuestos que pueden intervenir en este proceso son el KCl, CaCl2 o el KF. 2ClNa ⇔2Na+ + 2ClEl sodio por su baja densidad,flota y se extrae por D mientras el cloro se desprende en E.

b. c. Se trabaja con sal fundida porque permite reducir los iones de sodio. Se le agrega el KCl para bajar considerablemente el punto de fusión del NaCl. d. Es precisamente el bajo punto de fusión que posee la mezcla, el que hace que sea comercialmente factible como proceso para obtener Na metálico puro, que es de gran importancia industrial y comercial.

Problema 17.a) Indique cuál es la materia prima para producir industrialmente bromo. Ídem para yodo. b) Explique por qué en estos casos sí es posible utilizar un oxidante químico (a diferencia de la producción de cloro y de flúor), y cuál se utiliza. c) Para evitar el transporte de grandes cantidades de Br2 (I), en el proceso de obtención de bromo a partir de agua de mar, el gas se absorbe en disolución de Na2CO3 (pH aprox. 10), reaccionando químicamente. Escriba la ecuación respectiva y justifiquela con ayuda de un diagrama de potenciales apropiado. d) Al acidular la solución obtenida en c), se libera bromo masivamente. Justifique también este hecho.

a) Se obtiene a partir de las salmueras, mediante la oxidacion del CLBr una vez obtenido este. a. 2BR- +Cl22  Br2 + 2Clb) Porque el cloro es muy electronegativo y el flúor por igual. Por tanto, no pueden oxidarse tan fácilmente como los demás. Para el flúor se

utiliza el método de Moisson (con mezcla fundida de HF +KF) 2Hf (electrolisis de KF 2HF) H2(g) + F2(g) Para el cloro se obtiene por electrólisis en el proceso de preparación de los álcalis y se expende en forma líquida, no es puro.