6 horasDepto. de Química InorgánicaFac. de Ciencias QuímicasunpubLos problemas aquí presentados se han elaborado para estudiantes de la asignatura de Química Inorgánica I del Grado en Química de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid. Se abordan aspectos relevantes de los elementos metálicos, como la fortaleza del enlace y su reactividad. Se estudian también algunos de los tipos de compuestos que pueden forman, prestando espacial atención a los sólidos iónicos

Arroyo de Dompablo, Elena

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Arroyo De Dompablo, María Elena

Docta Complutense

PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA: ELEMENTOS METÁLICOS Y SUS COMPUESTOS Dra. Mª Elena Arroyo y de Dompablo Departamento de Química Inorgánica Universidad Complutense de Madrid PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 1 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Índice Prólogo ........................................................................................ 2 Problema 1 .................................................................................. 3 Problema 2 .................................................................................. 4 Problema 3  ................................................................................. 4 Problema 4  ................................................................................. 5 Problema 5 .................................................................................. 5 Problema 6 .................................................................................. 6 Problema 7 .................................................................................. 6 Problema 8 .................................................................................. 7 Problema 9  ................................................................................. 8 Problema 10  ............................................................................... 9 Problema 11 ................................................................................ 9  Problema 12 ............................................................................... 10 PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 2 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Prólogo Los problemas aquí presentados se han elaborado para estudiantes de la asignatura de Química Inorgánica I del Grado en Química de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid. Se abordan aspectos relevantes de los elementos metálicos, como la fortaleza del enlace y su reactividad. Se estudian también algunos de los tipos de compuestos que pueden forman, prestando espacial atención a los sólidos iónicos.  PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 3 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 1.   Los compuestos de coordinación [Ni(OH2)6]Cl2 y [NiBr2(2,5-dimetilpirazina)2] presentan geometrías octaédrica y plano-cuadrada, respectivamente.  De las siguientes “pruebas” indique cuáles  podría utilizar para diferenciarlos. Explique qué resultados obtendría en cada caso para cada uno de los compuestos. i) medidas de conductividad en disoluciónii) inspección visualiii) medidas del momento magnéticoDatos: 2,5-dimetilpirazina [Ni(OH2)6]2+[NiBr2(2,5-dimetilpirazina)2] PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 4 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 2. La siguiente figura muestra una región del diagrama de bandas para una hipotética cadena de  átomos A de  configuración ns2px.  a) ¿Cuántas bandas aparecen en eldiagrama?b) Comente la anchura de las bandas enfunción del solapamiento de los orbitalesatómicosc) Dibuje un esquema de bandasrectangulares a la derecha de la figura eindique qué  orbitales s y p participan enlos diferentes estadosd) Discuta la posición del nivel de Fermi en suesquema de bandas para 0 ≤ n ≤ 6. ¿En quécasos el comportamiento es metálico?e) Si A fuese un elemento de transición, ¿québandas adicionales deberían aparecer enla figura?. Reepresente el esquema debandas rectangulares del apartado b paraun metal de transición.Pregunta 3. La siguiente figura1 muestra la densidad de estados calculada para los metales de transición del cuarto periodo, suponiendo una misma estructura crsiatlina. a) En base a la figura explique razonadamente la variación de la entalpía de vaporización paraestos metales b) ¿Cómo espera que varíe su reactividad frente al oxígeno?c) Discuta de forma cualitativa el comportamiento magnético de estos metales1 Richard Dronskowski en “Computational Chemistry of Solid State Materials, A Guide for Materials Scientists, Chemists, Physicists and others”, Wiley 2007 PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 5 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 4.  Las siguientes figuras2 muestran la densidad de estados de dos metales del cuarto periodo.  a) Explique razonadamente  cuál corresponde a un metal alcalino y cuál a un metal de transición.b) Justifique cuál de estos dos metales presentará i) mayor punto de fusión ii) menor densidady iii) menor reactividad frente al oxígeno c) Comente el comportamiento magnético esperado para ambos metalesb) Discuta cuál podría ser la configuración electrónica del metal de trasición anterior. ¿Cómovariaría la densidad de estados para el elemento situado a su derecha? Pregunta 5.   ZnS y CdS presenten polimorfismo, pudiendo cristalizar en estructuras tipo blenda y wurtzita, mientras que HgS presenta una estructura en cadenas.  a) Determine si el entorno de coordinación de los cationes en estas estructuras está de acuerdocon el tamaño relativo de los iones. Discuta los resultados Datos: radios (pm)  S2- = 184;  Zn2+ = 74; Cd2+ = 100;  Hg2+ = 102 b) Dibuje un esquema de bandas que permita justificar la variación de los valores de band-gapde los sulfuros MS en base a la naturaleza del enlace c) Describa las diferencias estructurales existentes entre los polimorfos blenda y wurtzita.Evalúe si los puntos de fusión de belnda-CdS y wurtzita-CdS serán muy distintos. 2 Dimitris A._Papaconstantopoulos, en “Handbook of the Band Structure of Elemental Solids From Z = 1 To Z = 112”  Second Edition, Springer 2015 Compuesto ZnS (wurtzita) ZnS (blenda) CdS (wurtzita) CdS (blenda) HgS (cadenas) Band Gap (eV) 3.8 3.6 2.5 2.4 1.8 PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 6 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 6. a) La formación de un sólido metálico se produce gracias al solapamiento de los orbitalesatómicos de los átomos constituyentes.  Discuta brevemente las condiciones de energía y simetría que deben poseer los orbitales atómicos para que el solapamiento sea eficaz,  y su relacción con las funciones de onda radial y angular.  b) Según lo comentado,  explique la distinta variación de la entalpía de vaporización  en losgrupos 1 y 8 del sistema periódico. c) Teniendo en cuenta que ΔHformación NaCl2 = 879 kJ/mol y  ΔHformación FeCl2 = -350 kJ/mol¿Puede decirse que el Fe es más reactivo frente al Cl2 que el Na?. Si lo considera necesario, ayúdese de un ciclo termoquímico. Pregunta 7. Sobre el CaO a) Determine según la relación de radios, y a la naturaleza del enlace, que tipo estructural podríapresentar. Dibuje y explique esta estructura. Datos: Radios (pm): Ca2+ = 100 O2- =140, masas atómicas: O = 16, Ca = 40.  b) Sabiendo que su densidad es de 3300 kg m-3, calcule el parámetro de red de la celda unidad.c) Dibuje y explique un modelo de bandas que justifique las propiedades eléctricas de este óxido (band gap = 6.3 eV) d) Indique el tipo de defectos que se formarían si una pequeña cantidad de CaO se añade a a i)ZrO2 ii) NaCl y iii) NiO Metal ΔHv (kJ/mol) Metal ΔHv (kJ/mol) Na 108 K 90 Fe 415 Rb 80 Ru 650 Cs 79 Os 790 PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 7 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 8.  a) La tabla adjunta recoge datos referentes afactores que afectan a la reactividad de los metales V, Cr, Mn, Fe y Co en disolución acuosa. Utilizando los datos que considere oportunos, propronga un ciclo termoquímico que justifique la variación de entalpía de la semireacción:  M3+ (aq) + 1 e-  M+2 (aq)      ΔH  y que se muestra en la figura anexa. b) Enumere los factores que contribuyen aaumnetar la entalpía de hidratación de los cationes M2+ y M3+. c)¿Por qué la entalpía de vaporización del Fe es menor que la del V?. Si lo considera necesario, utilice un esquema de su densidad de estados. Datos: V Cr Mn Fe Co M EI3 (kJ/mol) 2828 2987 3248 2957 3232 M EI2 (kJ/mol) 1376 1635 1513 1564 1647 M EI1  (kJ/mol) 650 652 716 762 758 M2+ ΔHhidratación(kJ/mol) -1896 -1926 -1863 -1959 -2080 M3+ ΔHhidratación(kJ/mol) -4408 -4626 -4596 -4487 -4713 MΔHvaporización(kJ/mol) 514 397 283 418 428 PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 8 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 9. El óxido de magnesio es un sólido blanco: a) Determine según la relación de radios, y la naturaleza del enlace, el tipo estructural quepodría presentar. b) Sabiendo que su densidad es de 3600 kg m-3, calcule el parámetro de red de la celda unidad.c) Indique el tipo de defectos formados al añadir una pequeña cantidad a i) NaCl y ii) Fe2SiO4d) Seleccione razonadamente la(s) figura(s) que usaría para explicar sus propiedades eléctricasDatos:  Radios (pm): Mg2+ = 72 O2- =140,  masas atómicas: O = 16, Mg = 24,3. FIGURA A FIGURA C FIGURA B FIGURA D FIGURA E FIGURA C FIGURA E PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica 9 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 10. Explicar la siguiente figura. ¿Cómo se modificaría para el CaO?. ¿Qué óxido, CaO o MgO tendrá mayor GAP? Justifique la respuesta.Pregunta 11. Para la siguiente figura3, explique qué representan los paneles A-E3 Adaptada de J. Huheey, E. Keiter y R, Keiter en “Inorganic Chemistry: principles of structure and reactivity” , HarperCollins College Publishers, 1993 PROBLEMAS DE QUÍMICA INORGÁNICA  Dra. Elena Arroyo y de Dompablo Dpto. Química Inorgánica  10 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE  DE MADRID Pregunta 12. Discuta la relación enlace-estructura-propiedades (GAP, color) para estos minerales. Datos: radios iónicos (pm) : Pb2+=120, Pb4+ = 77, Cd2+ = 100, Hg2+= 102, S2- = 184 Elena  Arroyo - safecreative.org/work/2007104712240

Problemas de Química Inorgánica: elementos metálicos y sus compuestos

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