Galicia. Examen PAU resuelto de Química. junio 2022

El examen consta de 8 preguntas, de las que se podrá responder un MÁXIMO DE 5, combinadas como quiera. Cada pregunta vale 2 puntos (1 punto por apartado). Si responde a más preguntas de las permitidas, sólo se corregirán las 5 primeras respondidas.

 

PREGUNTA 1

1.1. Explique razonadamente cuál de las siguientes configuraciones electrónicas corresponde a un estado excitado, cuál a un estado fundamental y cuál sería un estado prohibido.

1.2. Justifique el hecho de que la molécula de CO₂ sea apolar mientras que la molécula de H₂O es polar.

 

1.1.  Explicamos cada uno de los casos:

 

(i)      Según el principio de Aufbau (propuesto por Niels Bohr, que significa principio de construcción en alemán) los electrones, en el estado fundamental, ocupan primero los niveles y orbitales de menor energía. Esto es lo que ocurre en esta primera configuración electrónica.

 

(ii)     Incumple el principio de exclusión de Pauli, por lo que en un átomo no pueden existir 2 electrones con los 4 números cuánticos iguales. Eso sucedería en este caso con dos de los electrones del orbital 2s. Se trata entonces de una configuración electrónica prohibida.

 

(iii)   De acuerdo con el principio enunciado en el primer apartado, tenemos un electrón que le correspondería ocupar el orbital 3s en lugar del 3p. Posee más energía que en el estado fundamental y, por lo tanto, se trata de un estado excitado.

 

1.2.  Comenzamos con la molécula de agua y lo hacemos haciendo la estructura de Lewis. Para ello vamos a hacer la configuración electrónica de cada uno de los átomos que forman parte de la molécula:

 

 

El hidrógeno es un elemento que nunca cumple la regla del octete. Tiene un electrón de valencia y lo comparte, por lo que, al final tiene a su alrededor dos electrones. Sin embargo, el oxígeno si que la cumple y se rodeará de ocho electrones. En total se necesitan:

 

 

Si a los electrones que necesitamos le restamos los que tenemos, obtendremos los electrones de enlace:

 

 

Y si a los electrones que tenemos le restamos los electrones de enlace, tendremos los electrones no enlazantes:

 

 

Pues bien, sabiendo que tenemos 2 pares electrónicos enlazantes y 2 no enlazantes y que el átomo al que le faltan más electrones para completar la capa es el central, podemos hacer la estructura de Lewis:

 

 

 

Como vemos, alrededor del átomo central hay 2 pares de electrones enlazantes y otros dos antienlazantes. Según la Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (TRPECV), la geometría de la molécula será aquella que permita que esos electrones tengan las menores repulsiones posibles, es decir, estén lo más separados. En este caso esa geometría es la angular. En realidad, la geometría electrónica es tetraédrica, que tiene ángulos de enlace de 109,5⁰. Pero como dos de los orbitales están ocupados por los pares electrónicos solitarios y, la repulsión que hacen sobre los otros pares electrónicos hace que el ángulo de enlace disminuya hasta los 104,5⁰. Debido a la gran diferencia de electronegatividad entre los átomos, los enlaces están polarizados. Se pueden dibujar los vectores momento dipolar, que van del átomo menos electronegativo al más electronegativo, es decir, del hidrógeno al oxígeno. Como se puede ver la suma de los mismos no da cero, por lo que la molécula presenta un momento dipolar no nulo () y es polar.

 

 

 

Hacemos ahora la estructura de Lewis de la molécula de dióxido de carbono.

 

 

En total se necesitan:

 

 

Si a los electrones que necesitamos le restamos los que tenemos, obtendremos los electrones de enlace:

 

 

Y si a los electrones que tenemos le restamos los electrones de enlace, tendremos los electrones no enlazantes:

 

 

Pues bien, sabiendo que tenemos 4 pares electrónicos enlazantes y 4 no enlazantes y que el átomo al que le faltan más electrones para completar la capa es el central, podemos hacer la estructura de Lewis:

 

 

 

En este caso, alrededor del átomo central hay 4 pares de electrones enlazantes y ninguno antienlazante. En este caso y, según la Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (TRPECV), la geometría molecular es lineal. El ángulo de enlace es de 180⁰. En este caso también tiene enlaces polarizados (el carbono es menos electronegativo que los oxígenos), pero al dibujar los vectores momento dipolar, como están en la misma dirección y sentidos opuestos, se anulan. Por lo que el momento dipolar resultante es nulo () y la molécula es apolar.