Exercicis d'enllaç químic — Física i Química 1r Batxillerat

El sodi (metall) i el clor (no-metall) formen un compost. Quin tipus d'enllaç hi ha i què fa cada àtom amb els electrons?

Dos àtoms de clor s'uneixen per formar Cl₂. Quin tipus d'enllaç fan i per què?

Com es diu el conjunt d'electrons lliures que uneix els àtoms d'un metall?

Indica quants electrons de valència tenen el nitrogen (Z = 7), el magnesi (Z = 12) i el clor (Z = 17), i explica què farà cada àtom (guanyar, perdre o compartir electrons, i quants) per complir la regla de l'octet.

El calci és del grup 2 i el brom del grup 17; l'alumini és del grup 13 i el sofre del grup 16. Escriu els ions que forma cada element i la fórmula del compost iònic que resulta de cada parella (Ca amb Br, Al amb S).

Classifica aquestes substàncies segons el tipus d'enllaç que uneix els seus àtoms (iònic, covalent o metàl·lic): MgO, Br₂, Fe, HCl, CaF₂, Zn, NH₃ i KI.

Indica quants parells d'electrons enllaçants i quants parells no enllaçants (solitaris) hi ha a les molècules H₂O, NH₃, CH₄ i HCl. (Electrons de valència: H 1, C 4, N 5, O 6, Cl 7.)

Amb les electronegativitats H 2,1; C 2,5; O 3,5; F 4,0 i Cl 3,0, ordena els enllaços C-H, H-Cl, H-O i H-F de menys a més polar i indica, en cada un, quin àtom queda amb càrrega parcial negativa (δ-).

Raona si cada afirmació és certa o falsa:
a) El clorur de sodi sòlid està format per molècules NaCl.
b) El diamant és una substància molecular.
c) Els metalls condueixen el corrent elèctric en estat sòlid.

Amb les electronegativitats Na 0,9; Mg 1,2; H 2,1; C 2,5; S 2,5; Cl 3,0 i O 3,5, classifica els enllaços Na-Cl, H-Cl, Cl-Cl, Mg-O i C-S com a iònics, covalents polars o covalents apolars. (Considera iònic un enllaç amb diferència d'electronegativitat igual o superior a 1,7.)

Per què els compostos iònics tenen punts de fusió alts?

Per què els compostos covalents moleculars solen tenir punts de fusió baixos?

Relaciona una propietat dels metalls amb el mar d'electrons.

Quan una substància molecular bull, quines forces es trenquen?

Descriu l'estructura de Lewis de les molècules N₂, CO₂ i HCN: indica quins enllaços hi ha (senzills, dobles o triples) i quants parells solitaris té cada àtom. (Electrons de valència: H 1, C 4, N 5, O 6.)

Aplica el model de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV) per predir la geometria i l'angle d'enllaç aproximat de BeCl₂, BF₃, CH₄ i NH₃. (Electrons de valència: Be 2, B 3, C 4, N 5, H 1, F 7, Cl 7.)

El iode ($\mathrm{I}_{2}$) es dissol molt bé en hexà ($\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{14}$) però gairebé gens en aigua, mentre que el clorur de sodi fa just el contrari. Explica aquests fets a partir de les forces que actuen entre les partícules.

Explica com es forma l'ió amoni (NH₄⁺) quan una molècula d'amoníac capta un protó ($\mathrm{H}^{+}$), i digues com s'anomena el nou enllaç que apareix. Es podria distingir aquest enllaç dels altres tres N-H un cop format l'ió?

Indica quines d'aquestes substàncies poden formar ponts d'hidrogen entre les seves pròpies molècules i justifica-ho: metanol (CH₃OH), dimetilèter (CH₃-O-CH₃), fluorur d'hidrogen (HF), metà (CH₄), amoníac (NH₃) i sulfur d'hidrogen (H₂S).

Les energies d'enllaç mitjanes són: H-H 436 kJ/mol, Cl-Cl 243 kJ/mol i H-Cl 432 kJ/mol. Calcula l'energia intercanviada en la reacció H₂(g) + Cl₂(g) → 2 HCl(g) i raona si és exotèrmica o endotèrmica.

Corregeix els errors d'aquesta resposta d'un alumne: «El CaCl₂ és una molècula formada per un àtom de calci i dos de clor units per enllaç covalent, perquè comparteixen electrons. Com que és un compost covalent, té un punt de fusió baix i no condueix mai l'electricitat.»

Per què el CO₂ és una molècula apolar si els seus enllaços són polars, i en canvi l'H₂O és polar?

Per què l'aigua ($\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}$) té un punt d'ebullició molt més alt que altres molècules de mida semblant?

Ordena per punt d'ebullició el metà, CH₄ (−162 °C), el clorur d'hidrogen, HCl (−85 °C), i l'aigua, H₂O (100 °C), i justifica-ho amb les forces intermoleculars.

Raona, a partir de la geometria i de la polaritat dels enllaços, si aquestes molècules són polars o apolars: BF₃, NH₃, CCl₄ i CHCl₃. (Electronegativitats: H 2,1; B 2,0; C 2,5; N 3,0; Cl 3,0; F 4,0.)

Quatre sòlids desconeguts tenen aquestes propietats. A: punt de fusió 801 °C, no condueix en estat sòlid però sí fos, soluble en aigua. B: punt de fusió −23 °C, no condueix en cap estat, insoluble en aigua. C: punt de fusió 1538 °C, condueix en estat sòlid i fos, insoluble en aigua. D: punt de fusió superior a 3500 °C, no condueix, insoluble en qualsevol dissolvent.
Identifica el tipus de substància (iònica, molecular, metàl·lica o xarxa covalent) de cada un, justifica-ho i proposa un exemple.

Els compostos NaCl, KCl i MgO són iònics i cristal·litzen amb la mateixa estructura.
a) Ordena'ls segons l'energia reticular (en valor absolut) i prediu quin té el punt de fusió més alt. (Radis iònics: Na⁺ 102 pm, $\mathrm{K}^{+}$ 138 pm, Mg²⁺ 72 pm, Cl^- 181 pm, $\mathrm{O}^{2-}$ 140 pm.)
b) Explica per què aquests sòlids són fràgils (es trenquen en colpejar-los) mentre que un metall com el coure es deforma sense trencar-se.

Per al sulfur d'hidrogen, $\mathrm{H}_{2}\mathrm{S}$ (electrons de valència: H 1, S 6; electronegativitats H 2,1 i S 2,5):
a) Descriu la seva estructura de Lewis i prediu-ne la geometria.
b) Raona si la molècula és polar.
c) L'$\mathrm{H}_{2}\mathrm{S}$ bull a -60 °C i l'aigua a 100 °C, tot i que la massa molecular de l'$\mathrm{H}_{2}\mathrm{S}$ (34) és gairebé el doble que la de l'aigua (18). Explica aquesta diferència.

La taula següent dona l'energia i la longitud dels enllaços entre carbonis: C-C 347 kJ/mol i 154 pm; C=C 614 kJ/mol i 134 pm; C≡C 839 kJ/mol i 120 pm.
a) Explica quina relació hi ha entre l'ordre d'enllaç (senzill, doble, triple), l'energia i la longitud.
b) Un doble enllaç és exactament el doble de fort que un de senzill? Justifica-ho amb les dades.
c) Prediu quin dels enllaços N-N (ordre 1) o N≡N (ordre 3, el de l'$\mathrm{N}_{2}$) és més curt i més difícil de trencar, i relaciona-ho amb la baixa reactivitat del nitrogen atmosfèric.

Els punts d'ebullició dels halurs d'hidrogen són: HCl -85 °C, HBr -67 °C, HI -35 °C i HF 20 °C (masses moleculars 36,5; 81; 128 i 20).
a) Explica la tendència HCl < HBr < HI a partir de les forces intermoleculars.
b) Per què l'HF, que és el més lleuger, és el que bull a més temperatura?
c) Entre HCl i HI, quin té els enllaços més polars i quin té les forces intermoleculars més intenses? Comenta la paradoxa.

Cicle de Born-Haber del NaCl(s). Dades (kJ/mol): ΔH_f°(NaCl) = -411; sublimació del Na = +107; primera energia d'ionització del Na = +496; energia de l'enllaç Cl-Cl = +244; afinitat electrònica del Cl = -349 (energia alliberada en capturar un electró).
a) Escriu les etapes del cicle.
b) Calcula l'energia reticular U, entesa com l'energia que s'allibera en formar 1 mol de NaCl(s) a partir dels ions gasosos.
c) Raona per què el cristall és estable tot i que formar els ions gasosos costa energia.

En un cristall de NaCl la distància entre un ió Na⁺ i un Cl^- veí és 282 pm. Dades: k = 9·$10^{9}$ N·$\tfrac{m^{2}}{C^{2}}$; e = 1,6·$10^{-19}$ C; $N_{A}$ = 6,022·$10^{23}$ mol^-1.
a) Calcula la força d'atracció entre els dos ions.
b) Calcula l'energia potencial electrostàtica del parell, en J i en kJ/mol.
c) En el MgO (Mg²⁺ i $\mathrm{O}^{2-}$) la distància és 210 pm. Quantes vegades és més gran, en valor absolut, l'energia del parell? Relaciona-ho amb els punts de fusió (NaCl, 801 °C; MgO, 2852 °C).

El moment dipolar de la molècula HCl és 1,08 D i la distància d'enllaç H-Cl és 127 pm. Dades: 1 D = 3,34·$10^{-30}$ C·m; e = 1,6·$10^{-19}$ C.
a) Quin moment dipolar tindria l'enllaç si fos 100 % iònic (càrregues +e i -e separades 127 pm)?
b) Calcula el percentatge de caràcter iònic de l'HCl.
c) Repeteix el càlcul per a l'HF (μ = 1,83 D; d = 92 pm) i explica la diferència amb l'HCl.

Analitza l'ió carbonat, CO₃^2- (àtom central C):
a) Compta els electrons de valència i descriu una estructura de Lewis.
b) Quantes estructures ressonants equivalents es poden escriure?
c) Calcula les càrregues formals dels àtoms en una d'elles.
d) Quin és l'ordre d'enllaç mitjà C-O i quina és la càrrega mitjana de cada O?
e) Experimentalment, els tres enllaços C-O mesuren 129 pm (C-O simple, 143 pm; C=O, 122 pm). Interpreta-ho.

Energies d'enllaç (kJ/mol): N≡N, 945; H-H, 436; N-H, 391; N-N, 160.
a) Estima ΔH de la síntesi N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g) a partir de les energies d'enllaç.
b) Compara el resultat amb el valor experimental, -92,2 kJ (per a la reacció tal com està escrita), i calcula l'error relatiu.
c) Compara l'energia de l'enllaç N≡N amb la de tres enllaços N-N i explica per què el N₂ és tan poc reactiu.

L'entalpia de vaporització de l'aigua és 40,7 kJ/mol. En l'aigua líquida cada molècula forma, de mitjana, 2 ponts d'hidrogen (comptant cada pont una sola vegada). Suposa que en vaporitzar es trenquen tots. Dades: M($\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}$) = 18,0 g/mol; ρ = 1,00 kg/L; c = 4,18 kJ/(kg·K); energia de l'enllaç covalent O-H = 464 kJ/mol.
a) Estima l'energia d'un mol de ponts d'hidrogen.
b) Compara-la amb l'enllaç O-H covalent.
c) Calcula l'energia per vaporitzar 1,0 L d'aigua a 100 °C i compara-la amb l'energia necessària per escalfar-lo de 20 a 100 °C.

Un fil de coure de 2,0 mm de diàmetre transporta un corrent de 10 A. Dades del coure: ρ = 8,96 g/cm³; M = 63,5 g/mol; suposa 1 electró lliure per àtom. e = 1,6·$10^{-19}$ C; $N_{A}$ = 6,022·$10^{23}$ mol^-1.
a) Calcula la densitat d'electrons lliures (electrons per $\text{m}^{3}$).
b) Calcula la velocitat d'arrossegament dels electrons, v = I/(n·e·A).
c) Quant tarda un electró a recórrer 1 m de fil?
d) Per què, malgrat això, la bombeta s'encén gairebé a l'instant en tancar l'interruptor?

La cel·la unitat cúbica del NaCl té una aresta a = 564 pm i conté 4 unitats de fórmula NaCl (M = 58,5 g/mol). $N_{A}$ = 6,022·$10^{23}$ mol^-1.
a) Calcula la massa de la cel·la i el seu volum en cm³.
b) Calcula la densitat del cristall.
c) La distància Na-Cl entre veïns és $\tfrac{a}{2}$. Quant val i què representa?
d) Si un experiment dona ρ = 2,165 g/cm³, quin valor de $N_{A}$ se'n dedueix?

Per què existeix el MgCl₂ i no el MgCl? Dades (kJ/mol): sublimació del Mg = +148; 1a energia d'ionització del Mg = +738; 2a = +1451; energia de l'enllaç Cl-Cl = +244; afinitat electrònica del Cl = -349; energia reticular (energia alliberada en formar el sòlid): MgCl (hipotètic, estimada) = 753; MgCl₂ = 2526.
a) Calcula ΔH_f del MgCl hipotètic amb un cicle de Born-Haber.
b) Calcula ΔH_f del MgCl₂.
c) Calcula ΔH de la desproporció 2 MgCl(s) → Mg(s) + MgCl₂(s) i treu-ne una conclusió.
d) La 2a ionització costa quasi el doble que la 1a. Com es compensa?

L'equació de Born-Landé estima l'energia reticular d'un cristall iònic: U = ($N_{A}$·M·|$z_{+}$·$z_{-}$|·$e^{2}$·$\tfrac{k}{r_{0}}$)·(1 - $\tfrac{1}{n}$), on M és la constant de Madelung (1,7476 per al tipus NaCl), $r_{0}$ la distància entre ions veïns i n l'exponent de Born (repulsió entre núvols electrònics). Dades: k = 9·$10^{9}$ N·$\tfrac{m^{2}}{C^{2}}$; e = 1,6·$10^{-19}$ C; $N_{A}$ = 6,022·$10^{23}$ mol^-1.
a) Calcula U per al NaCl ($r_{0}$ = 282 pm; n = 8).
b) Compara-la amb el valor de Born-Haber, 787 kJ/mol (error relatiu).
c) Calcula U per al KCl ($r_{0}$ = 314 pm; n = 9) i la relació U(KCl)/U(NaCl). El valor experimental del KCl és 715 kJ/mol.
d) Què passaria amb U si no hi hagués repulsió (n molt gran)?

La molècula d'aigua és angular (angle H-O-H = 104,5°) i té un moment dipolar μ = 1,85 D. El moment dipolar de la molècula és la suma vectorial dels dos moments d'enllaç O-H. Dades: 1 D = 3,34·$10^{-30}$ C·m; e = 1,6·$10^{-19}$ C; d(O-H) = 96 pm.
a) Raona que μ = 2·μ_OH·cos($\tfrac{\theta}{2}$) i calcula μ_OH.
b) Calcula la càrrega parcial δ de l'H (en unitats de e) suposant que el moment d'enllaç prové de ±δ separades 96 pm.
c) Quina seria la càrrega parcial de l'O? Quin moment dipolar tindria l'aigua si fos lineal?
d) Explica per què el CO₂ (lineal, enllaços C=O polars) és apolar.

El model RPECV (VSEPR) també serveix per a molècules en què l'àtom central de períodes 3 o superiors supera l'octet: els parells d'electrons (enllaçants i solitaris) se situen a la màxima distància; amb 5 parells la geometria base és bipiràmide trigonal (els parells solitaris ocupen primer les posicions equatorials) i amb 6 parells és octaedre (dos parells solitaris queden oposats). Per a ClF₃, SF₄, XeF₄ i ICl₂^-:
a) Compta els electrons de valència, els parells enllaçants i els solitaris de l'àtom central.
b) Dedueix la geometria molecular.
c) Decideix si són polars i justifica-ho.

L'ió tiocianat, SCN^- (ordre dels àtoms S-C-N), admet tres estructures de Lewis amb l'octet complet: A) S-C≡N, B) S=C=N i C) S≡C-N, amb els parells solitaris que calguin.
a) Comprova que cada estructura té 16 electrons de valència.
b) Calcula les càrregues formals de S, C i N en cada una i comprova que la suma és -1.
c) Ordena les estructures segons la seva contribució a l'híbrid de ressonància. Recorda que és més favorable posar la càrrega negativa sobre l'àtom més electronegatiu (N: 3,0; S: 2,6) i evitar càrregues grans.
d) Prediu si els enllaços C-S i C-N seran més propers a simples o a dobles.

Model electrostàtic per comparar energies reticulars. Usa l'índex I = |$q_{+}$·$q_{-}$|/($r_{+}$ + $r_{-}$), amb els radis iònics en pm: Na⁺ 102; $\mathrm{K}^{+}$ 138; Mg²⁺ 72; Ca²⁺ 100; $\mathrm{F}^{-}$ 133; Cl^- 181; $\mathrm{O}^{2-}$ 140. Energia reticular experimental (kJ/mol): NaF 923; NaCl 787; KCl 715; MgO 3791; CaO 3414.
a) Calcula I per a cada compost i ordena'ls.
b) Calibra el model amb el NaCl (U = c·I) i prediu U per als altres quatre.
c) Calcula l'error relatiu de cada predicció i comenta per què és més gran per als compostos amb càrregues 2+/2-.

Regla de Trouton: per a molts líquids no associats, l'entropia de vaporització ΔS_vap = ΔH_vap/T_eb val aproximadament 88 J/(mol·K). Dades (ΔH_vap en kJ/mol; T_eb en K): metà, 8,19; 111,7 · hexà, 28,9; 341,9 · etanol, 38,6; 351,5 · aigua, 40,7; 373,2.
a) Calcula ΔS_vap de cada substància.
b) Quines s'aparten més de la regla? Explica-ho amb les forces intermoleculars (pensa en l'ordre del líquid).
c) Un líquid no associat té ΔH_vap = 30,0 kJ/mol. Estima'n el punt d'ebullició en °C.

Compara l'enllaç metàl·lic del sodi i de l'alumini. Dades: Na (ρ = 0,97 g/cm³; M = 23,0 g/mol; cedeix 1 electró; ió Na⁺ de 102 pm; fon a 98 °C). Al (ρ = 2,70 g/cm³; M = 27,0 g/mol; cedeix 3 electrons; ió Al³⁺ de 54 pm; fon a 660 °C). $N_{A}$ = 6,022·$10^{23}$ mol^-1.
a) Calcula la densitat d'electrons lliures (en electrons per cm³) de cada metall i la seva relació.
b) Calcula la relació de càrrega/radi (z/r) dels cations.
c) Relaciona els resultats amb la diferència entre els punts de fusió i amb la duresa dels dos metalls.

Compara el diamant (xarxa covalent) amb el CO₂ sòlid (molecular). Dades: energia mitjana de l'enllaç C-C = 347 kJ/mol; C=O = 799 kJ/mol; entalpia de sublimació del CO₂ sòlid = 25,2 kJ/mol. En el diamant cada àtom de C s'uneix amb 4 veïns.
a) Quants enllaços C-C hi ha per àtom de C? Calcula l'energia necessària per desfer completament 1 mol de diamant (12 g) en àtoms de C.
b) Calcula quina energia cal per sublimar 1 mol de CO₂ i quanta per trencar-ne tots els enllaços.
c) Quantes vegades més energia requereix el diamant que el CO₂ per a un canvi d'estat? Explica per què el diamant fon per sobre de 3500 °C i el CO₂ sublima a -78 °C.

Els ions $\mathrm{O}^{2-}$, $\mathrm{F}^{-}$, Na⁺, Mg²⁺ i Al³⁺ tenen 10 electrons (són isoelectrònics). Per estimar-ne la mida usa la càrrega nuclear efectiva $Z_{\mathrm{ef}}$ = Z − 4,15 (regles de Slater per a un electró 2p) i el model r = $n^{2}$·$\tfrac{a_{0}}{Z_{\mathrm{ef}}}$, amb n = 2 i $a_{0}$ = 52,9 pm. Radis experimentals (pm): $\mathrm{O}^{2-}$ 140; $\mathrm{F}^{-}$ 133; Na⁺ 102; Mg²⁺ 72; Al³⁺ 54.
a) Calcula $Z_{\mathrm{ef}}$ i el radi del model per a cada ió.
b) Calcula el radi relatiu a l'$\mathrm{O}^{2-}$ en el model i en els valors experimentals.
c) Explica la tendència i comenta per què el model només és qualitatiu.

Deslocalització i estabilitat del benzè. Entalpies d'hidrogenació (kJ/mol): ciclohexè (un doble enllaç) → ciclohexà, −120; benzè → ciclohexà (tres dobles enllaços aparents), −208. Longituds d'enllaç C-C (pm): simple, 154; doble, 134; benzè (tots els enllaços iguals), 139.
a) Quina entalpia d'hidrogenació s'esperaria per a un «ciclohexatriè» amb tres dobles enllaços localitzats?
b) Calcula l'energia de ressonància (estabilització per deslocalització) del benzè.
c) Dedueix l'ordre d'enllaç C-C del benzè a partir de les dues estructures de Kekulé (alternança d'enllaços simples i dobles) i compara la longitud experimental amb la mitjana aritmètica de les longituds simple i doble.
d) Per què el benzè dona reaccions de substitució i no d'addició com els alquens?

Energies d'enllaç a partir de dades termoquímiques. Dades (kJ/mol): ΔH_f°(CH₄, g) = −74,8; ΔH_f°(C₂H₆, g) = −84,7; ΔH_f°(C₃H₈, g) = −103,8; entalpia de formació del C(g) a partir de grafit = +717; entalpia de formació de l'H(g) = +218.
a) Calcula l'entalpia d'atomització del CH₄ (CH₄(g) → C(g) + 4 H(g)) i l'energia mitjana de l'enllaç C-H.
b) Calcula l'entalpia d'atomització de l'età i, amb el resultat anterior, l'energia mitjana de l'enllaç C-C.
c) Prediu l'entalpia d'atomització del propà amb aquestes energies i compara-la amb la que surt de la seva ΔH_f°.