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ENLACES ATMICOS

SIMETRA MOLECULAR El concepto de simetra es intuitivo y cuando decimos que una molcula es ms simtrica queotra, es porque notamos en la primera mayor regularidad o armona entre sus partes. En lanaturaleza encontramos especies que exhiben simetra, por ejemplo, una estrella de mar y laposicin sincronizada de los ptalos en una flor. Sin embargo, es necesario dar una definicin msprecisa del fenmeno.

Existen 2 conceptos que se relacionan y que permiten la explicacin: elementos y operaciones desimetra. Un elemento de simetra es un ente geomtrico, como un punto, un plano o una lnea,con respecto al cual puede efectuarse un movimiento imaginario u operacin de simetra . De estemodo se obtiene una imagen de la molcula que es indistinguible de la molcula original.

Una forma prctica de definir la operacin de simetra es la de una transformacin imaginaria que,si no miramos mientras ocurre, no hay forma de saber que ha sido realizada. La imagen obtenidaes indistinguible de la original, pero no siempre idntica a ella.

CURSO: QUMICA COMNMATERIAL QC-N 06

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ENLACE QUMICO

De los elementos de la tabla peridica Los gases nobles son los nicos electrnicamente estables,es decir, presentan un octeto en su nivel externo, con excepcin del helio que slo presenta doselectrones en su nivel de valencia (dueto). Debido a esta situacin, los gases nobles son inertes ymuy rara vez reaccionan. La mayora de los otros tomos son sistemas inestableselectrnicamente, y en bsqueda de esa estabilidad se pueden presentar fundamentalmente tressituaciones:

1. Ganar electrones.2. Perder electrones.3. Compartir electrones .

La finalidad del enlace qumico es lograr la estabilidad energtica de los tomos involucrados. Portanto, la interaccin ocurre principalmente, por las diferencias en las electronegatividades quelos tomos presentan. Se infiere por tanto que la fuerza del enlace es muy variable, y dependerfundamentalmente de la naturaleza de los elementos. Debemos mencionar que el enlace ocurreslo con los electrones del nivel de valencia, puesto que son los de mayor energa y menoratraccin respecto al ncleo.

LA ELECTRONEGATIVIDAD Y EL ENLACE ATMICO

Como ya se vio anteriormente, las propiedades peridicas magnticas se relacionanestrechamente con la configuracin electrnica de los tomos. Una de estas propiedades es laelectronegatividad que define el tipo de enlace que se formar entre los tomos. De este modoaquellos tomos con una gran diferencia de electronegatividad forman enlaces de tipo inico, as el tomo ms electronegativo es capaz de arrancar el o los electrones de valencia al menoselectronegativo, quedando como un anin estable (ion). En la tabla peridica los elementosmetlicos poseen valores bajos de electronegatividad mientras que para los no metales , losvalores de electronegatividad son altos. As, por regla general, un enlace entre un metal y

un no metal ser inico, mientras que el enlace formado entre no metales sercovalente.

Un enlace covalente se formar entre tomos con electronegatividades similares o iguales. Enesta interaccin los tomos compartirn los electrones enlazados. Ahora bien, dependiendo de ladiferencia de electronegatividad entre los tomos, el enlace covalente se puede clasificar comopolar, apolar o coordinado (enlace dativo).

TIPOS DE ENLACES

Inico

Covalente Polar

Apolar

Coordinado

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COMPUESTOS BINARIOS SIMPLES

Al formar compuestos inicos, se dice que los tomos intercambian sus valencias, con ello sepueden obtener fcilmente sus frmulas. Al forman compuestos inicos los no metales utilizan suselectrones desapareados de la notacin de Lewis, mientras que los metales ceden todos suselectrones de valencia.

A modo de ejemplo se determinar la frmula del compuesto inico formado entre litio y oxgeno.El litio pertenece al grupo I-A, por lo tanto es un metal con 1 electrn de valencia y el oxgeno esun no metal del grupo VI-A, con 6 electrones de valencia. Se sabe que el tomo de oxgeno posee2 electrones desapareados, por lo tanto, es correcto decir que el litio acta con valencia 1 y eloxgeno con valencia 2. Al escribir la frmula sus valencias se intercambian.

Elemento Valencia FrmulaLi 1O 2 Li2O

Esto se entiende tambin al asumir que al momento de enlazarse, un tomo de oxgeno se une ados tomos de litio y ambos cumplen su respectiva regla del octeto dueto.

Otro ejemplo, es la frmula del compuesto inico formado por el calcio y el nitrgeno. El calciopertenece al grupo II-A, as que es un metal con dos electrones de valencia y el nitrgeno, es unno metal del grupo V-A con 5 electrones de valencia, sin embargo, slo 3 de ellos estndesapareados, por lo tanto, el calcio acta con valencia 2 y el nitrgeno con valencia 3. Al escribirla frmula sus valencias se intercambian.

Elemento Valencia FrmulaCa 2N 3 Ca3N2

En la siguiente tabla se muestra la cantidad de electrones que ceden o aceptan los elementos de

cada grupo.METALES NO METALES

I -A cede 1 electrn V -A acepta 3 electrones

II -A cede 2 electrones VI -A acepta 2 electrones

III -A cede 3 electrones VII -A acepta 1 electrn

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PROPIEDADES FSICAS DE LOS COMPUESTOS INICOS

a) Son slidos con puntos de fusiones altos (por lo general mayores de 400C).

b) Muchos son solubles en disolventes polares, como el agua.

c) La mayora es insoluble en disolventes no polares, como el hexano C 6H14.

d) Los compuestos fundidos conducen bien la electricidad porque contienen partculas mvilescon carga (iones).

e) Las soluciones acuosas conducen bien la electricidad ya que no slo se disuelven sino queadems se disocian dejando iones en libertad de movimiento.

ENLACE COVALENTEComo ya se mencion, el enlace covalente se genera cuando dos no-metales con una pequea onula diferencia de electronegatividad comparten electrones.

El enlace inico no puede producirse entre dos no-metales, porque su diferencia deelectronegatividad no es suficientemente grande para que se efecte la transferencia deelectrones.

Cuando esta diferencia de electronegatividades es insuficiente, se infiere que ambos tomosinvolucrados tendrn que compartir sus electrones para lograr su estabilidad electrnica.Hablamos entonces de enlace covalente.

Un ejemplo:

El siguiente ejemplo ilustra la formacin de hidrgeno molecular (compuesto covalente), a partirde 2 tomos

Las electronegatividades para cada tomo de hidrgeno son iguales, por lo tanto no puede habertransferencia de electrones. Cada tomo de hidrgeno necesita solo 1 electrn para completar sunivel de valencia (dueto). Ambos entonces comparten el par de electrones que ponen en juego almomento de enlazar.

Cada tomo por s solo no es estable, sin embargo, se ha demostrado empricamente que la

energa de la molcula diatmica (H 2) es mucho menor que la energa de los tomos porseparado, lo que obviamente dice mucho de su estabilidad.

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ENLACES MLTIPLESLos enlaces covalentes entre dos tomos en general pueden compartir 2 o ms electrones. Deeste modo se cumple que:

H H

H Cl

O O

N N

H : H

H : Cl :O :: O

N ::: N

: :

simple

simpledoble

triple

ENLACE COVALENTE DATIVO O COORDINADO

En el enlace covalente normal ambos tomos aportan uno o ms electrones al enlace, los queson compartidos, en cambio en el enlace covalente dativo slo uno de los tomos aportaelectrones, mientras que el otro aporta orbitales vacos.

Ejemplo:

El oxgeno en el agua posee dos orbitales, cada uno con un par de electrones no enlazados. El inH+ puede formar enlace con el oxgeno para generar el in hidronio (H 3O+), en este enlace el inH+ no tiene electrones para aportar pero si tiene un orbital vaco, el oxgeno en tanto, aporta elpar de electrones para el enlace, se forma entonces un enlace covalente coordinado o dativo. Estose muestra en el siguiente dibujo.

Otras molculas que poseen enlace dativo son el NH 4 , O3, SO2, SO3, H2SO4, HNO3 y H3PO4.

PROPIEDADES FSICAS DE LOS COMPUESTOS COVALENTES

a) Son gases, lquidos o slidos con puntos de fusin bajos (generalmente menores de 300 C).

b) Muchos de ellos son insolubles en solventes polares.

c) La mayora es soluble en disolventes no polares, como el hexano C 6H14.

d) Los compuestos lquidos o fundidos no conducen la electricidad.

e) Las soluciones acuosas suelen ser malas conductoras de la electricidad porque nocontienen partculas con carga.

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H - O - S - O - H

O

O

LA NOTACIN DE LEWIS

Consiste en anotar el smbolo del elemento rodeado de tantos puntos como electrones de valenciapresente, la notacin de Lewis informa adems el tipo de elemento que acta en el enlace ya quepredice el grupo al que pertenece en el sistema peridico.

ESTRUCTURA DE LEWIS PARA UNA MOLCULA

La estructura de Lewis y la regla del octeto estn ntimamente relacionadas y son de gran ayudacomo modelos de enlace en muchos compuestos. Para llegar a obtener la estructura de Lewis deuna molcula hay que seguir varios pasos bsicos, estos son:

1. Elegir un esqueleto simtrico para la molcula o in poliatmico, donde se muestre que lostomos estn unidos entre s.

Se debe considerar, por lo general, el elemento menos electronegativo como elelemento central de la estructura.El hidrgeno nunca ser el elemento central, por el contrario, siempre ocupa unaposicin terminal en las estructuras.Los tomos de oxgeno, por lo general no se unen entre s, excepto en el O 2, O3 yen los perxidos.En los oxicidos el o los tomos de hidrgeno estn unidos a un tomo de oxgeno yste est unido al tomo central.

2. Se dibujan los electrones que participan en los enlaces como pares de electronescompartidos, usando enlaces simples, dobles o triples segn corresponda.

3. Se dibujan pares de electrones libres sobre cada tomo para completar el octeto, segncorresponda, o dueto para el caso del hidrgeno.

VALENCIA

El concepto de valencia generalmente se asocia a la capacidad de combinacin de un elemento.En la estructura de Lewis corresponde a la cantidad de electrones que el elemento aporta almomento de enlazar, vale decir, la cantidad de electrones de valencia que participan en el enlace.

Ejemplo: H2SO4

El elemento azufre (central) acta con valencia 6, cada oxgeno con valencia 2 y cada hidrgenocon valencia 1.

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NMEROS DE OXIDACIN

El nmero de oxidacin o estado de oxidacin de un elemento en un compuesto inico binariosimple es el nmero de electrones que gana o pierde un tomo de dicho elemento al formar elcompuesto.

En el caso de iones atmicos sencillos, corresponde a la carga del in.

En los compuestos covalentes no se generan iones, as que el nmero de oxidacin seconsidera como la posible carga que adquiere cada uno de los tomos del compuestocuando enlaza. Todo esto, considerando por supuesto la electronegatividad de cada unode los tomos.En los compuestos neutros, la suma de todos los estados de oxidacin es igual a cero.En un in poliatmico, la suma de todos los estados de oxidacin es igual a la carga delin.Todo elemento, ya sea atmico o molecular, presenta estado de oxidacin cero.El estado de oxidacin habitual del oxgeno en los compuestos es -2 (excepto en losperxidos, donde es -1).El estado de oxidacin del hidrgeno comnmente es +1 (excepto en los hidrurosmetlicos, donde es -1).

Para que estos conceptos queden ms claros, en la tabla siguiente se muestran los electrones devalencia, la valencia y el estado de oxidacin para el elemento cloro en distintas molculas.

Nombre Frmula Estructura Electronesde valencia ValenciaEstado deoxidacin

Cloruro de hidrgeno HCl 7 1 -1cido hipocloroso HClO 7 1 +1

cido cloroso HClO2 7 3 +3

cido clrico HClO3 7 5 +5

cido perclrico HClO4 7 7 +7

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OTROS EJEMPLOS:

Dixido de carbono: El estado de oxidacin para el oxgeno es -2 por pertenecer algrupo VI-A, mientras que para el carbono es +4.

+4 -2 ESTADOS DE OXIDACINCO2(+4)(-4)=0

Sulfuro de hidrgeno: El estado de oxidacin del azufre es -2 (es un anfgeno) y decada hidrgeno es +1.

+1 -2 ESTADOS DE OXIDACINH2S(+2)(-2)=0

Ion carbonato: El estado de oxidacin del carbono es +4 y de cada oxgeno -2+4 -2 ESTADOS DE OXIDACIN

CO 23(+4)(-2)=-2 CARGA DEL ION

Ion fosfato monocido: El estado de oxidacin del fsforo es +5, de cada oxgeno -2 ycada hidrgeno +1.

+1 +5 -2 ESTADOS DE OXIDACIN

HPO24(+1)(+5)(-8)=-2 CARGA DEL ION

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ESTEREOQUMICA

La disposicin espacial que adoptan las molculas no es antojadiza. Ciertamente, la estabilidad deun sistema molecular y macromolecular est dada, en gran parte por la forma en la cual seestablecen los enlaces y las interacciones moleculares.

La estereoqumica trata del estudio conformacional de las molculas y establece entre otras cosas,

la geometra espacial y los ngulos de enlace de la gran mayora de los sistemas que hoyconocemos.

En el captulo anterior, se analizaron los distintos tipos de interacciones atmicas. Se analizarontambin las fuerzas de estas interacciones en funcin a una propiedad peridica en particular(electronegatividad). Sin embargo, no sabemos a ciencia cierta, de qu forma ocurren estosenlaces, cmo logran interaccionar los electrones para finalmente enlazar. Tampoco tenemos clarocul es el nuevo movimiento (orbital) que siguen los electrones una vez que lograroninteraccionar.

La teora de la hibridacin y de los orbitales moleculares, sugiere una idea lgica para comprenderlas interacciones atmicas, y del mismo modo; permite establecer con certeza las disposicionesespaciales de los tomos en un sistema molecular.

LA GEOMETRA MOLECULAR Esta teora explica la formacin de nuevos orbitales a partir de los originales. Segn sta, losorbitales atmicos (s, p, d, f) se combinan, generando orbitales atmicos hibridados. Cuando unelectrn absorbe energa suficiente, es promovido a niveles de energa superiores, permitiendoque los orbitales que contienen a los electrones de valencia se superpongan unos con otros,generando la nueva clase de orbitales.

El siguiente diagrama explica en trminos sencillos la disposicin de los electrones en los tomosdel grupo IV A del sistema peridico. As por ejemplo en el carbono se tiene que:

Se concluye que este tomo tiene la propiedad de generar 3 tipos de hibridaciones diferentes;estas son sp 3, sp 2 y sp . Con los orbitales hbridos se generan los enlaces conocidos como sigma( ) , mientras que con los orbitales atmicos normales se generan los enlaces pi ( ) .

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Para entender mejor la relacin que existe entre las distintas hibridaciones y la geometramolecular utilizaremos modelos en donde se muestran trazos con un par de puntos cada uno, querepresentan los orbitales con sus pares de electrones. Utilizaremos la siguiente notacin paradescribir la geometra molecular:

A: tomo central.X: tomo unido al tomo central.

E: pares de electrones libres del tomo central.

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LA SIMETRA Y POLARIDAD DE MOLCULAS

Los ejemplos anteriores explican la arquitectura de ciertas molculas. Podemos comprobar lahibridacin de un sistema molecular entendiendo la superposicin de los orbitales atmicos y

junto con esto averiguamos, el ngulo de enlace. Sin embargo, poco sabemos del comportamientoqumico de las molculas. La geometra y los tipos de enlace nos entregan informacin valiosasobre la reactividad y algunos parmetros fsicos relevantes, como el momento dipolar y lapolaridad de las sustancias.

En el caso de la molcula de metano (CH 4), vemos que el tomo central (carbono), se encuentrarodeado de 4 tomos idnticos (hidrgeno), mediante enlaces covalente de tipo polar. En estecaso, es correcto decir que la molcula tiene una disposicin de sus tomos que la haceabsolutamente simtrica (se dice que la molcula posee simetra geomtrica). Esto implica quedesde el punto de vista fsico, los momentos de fuerza (representados por la electronegatividad delos tomos involucrados en el enlace) se anulan y por lo tanto la molcula presenta un momentototal de fuerza igual a cero. Cuando esto ocurre se dice que la molcula es APOLAR. Lo contrarioocurrir si en la molcula el tomo central se encuentra unido a diferentes tomos. Por tanto, unamolcula ASIMTRICA es siempre POLAR, y una SIMTRICA es siempre APOLAR.

El agua es una molcula polar. Esto implica que geomtricamente tiene estructura asimtrica.Esto puede parecer contradictorio, ya que el tomo central (oxgeno) se encuentra enlazado a dostomos idnticos. La razn se explica en que los momentos de fuerza; originados por la diferencia

en las electronegatividades de los tomos que componen el enlace, no se anulan. Por el contrario,la molcula de agua tiene una geometra angular, razn por la cual, el momento dipolar, esdistinto de cero. Lo interesante es que a consecuencia de esta polaridad, el agua como solventeslo ser reactiva con aquellas sustancias similares a ella. Es decir, slo disolver sustanciasPOLARES. Debemos decir entonces, que aquellas sustancias polares, son HIDROFLICAS, ya quereaccionan o tienen afinidad con el agua. Concluimos que el metano (CH 4), es una molculasimtrica, apolar e hidrofbica. Ms an, TODAS aquellas sustancias APOLARES sonHIDROFBICAS.Ahora bien, supongamos que intercambiamos uno de los tomos de hidrgeno del metano, poruno de cloro o flor. Podemos decir con propiedad que la molcula cambi su polaridad. Setransform en una molcula con una distribucin asimtrica y por lo tanto, es ahora una molculaPOLAR; y por ende es HIDROFLICA. Finalmente, podemos decir, que si una molcula presenta almenos 1 enlace inico; an cuando todos los dems sean covalentes; siempre ser soluble enagua; incluso si a simple vista parezca simtrica

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GLOSARIO

Dielctrico: Material o sustancia que no conduce la corrienteelctrica.

Dueto: 2 electrones en el nivel de valencia de un tomo(periodo 1). La configuracin electrnica respectiva esns 2. Los primeros 4 elementos del sistema peridicopueden cumplirla (H, He, Li, Be)

Electrolito: Sustancia qumica conductora de la corriente elctrica

Hexano (C 6H14 ) Solvente orgnico de tipo apolar, capaz de disolversustancias como que no presentan momento dipolar (lamayora de los compuestos con carcter covalente)

Ion Hidronio: Especie inica que se forma cuando el agua (H 2O) captaun protn (H +) proveniente por ejemplo de unasustancia cida. La especie es estable y presenta enlacede tipo dativo (H 3O+)

Molculas Homonucleares: Estructuras moleculares formadas por un solo tipo detomos. En su gran mayora son diatmicas y sepresentan en estado gaseoso (N 2, O2, Cl2, F2). Lasexcepciones entre otras la constituyen el fsforo (P 4) yel azufre (S 8)

Perxido: Tipo de xido en el que el oxgeno presenta nmero deoxidacin -1.

Punto de fusin: Temperatura a la cual un slido cambia a lquido. Es unproceso que ocurre con absorcin de energa atemperatura constante.

Octeto: 8 electrones en el nivel de valencia de un tomo(configuracin electrnica del tipo ns 2 p 6). Los tomospertenecientes a los 3 primeros niveles de energa (conexcepcin de los que cumplen un dueto) se estabilizanelectrnicamente adoptando esta configuracin.

Valencia: Cantidad de electrones que un tomo ocupa cuandoenlaza. La valencia es independiente del tipo de enlacey no necesariamente se relaciona con el grupo al cualpertenece el elemento en el sistema peridico.

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TEST DE EVALUACIN MDULO 06

Para la resolucin de algunos ejercicios, se adjunta una parte de la Tabla Peridica de losElementos.

1H

1,0

Nmero atmico

Masa atmica

2He4,0

3Li6,9

4Be9,0

5B

10,8

6C

12,0

7N

14,0

8O

16,0

9F

19,0

10Ne20,2

11Na23,0

12Mg24,3

13Al

27,0

14Si

28,1

15P

31,0

16S

32,0

17Cl

35,5

18Ar

39,9

19K

39,1

20Ca40,0

1. Si un metal del grupo I-A se enlaza con un no-metal del grupo VII-A, el compuesto formadopodra corresponder a

A) HFB) MgOC) NaFD) Li2OE) CaCl2

2. Cul(es) de los siguientes compuestos qumicos presenta enlace covalente en su estructura?

I) SO2II) H2O2

III) NH4+

A) slo I.B) slo II.C) slo III.D) slo II y III.E) I, II y III.

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3. Qu frmula tendra un compuesto X nY m si Y pertenece al grupo VII-A y X al grupo II-A?

A) XYB) XY2C) X2YD) X2Y3

E) X3Y2

4. El trifluoruro de boro de frmula BF 3 es una molculaI) triatmica.

II) con enlace dativo.III) con hibridacin sp 2 para el Boro.

Es (son) correcta(s)A) slo I.B) slo III.C) slo I y II.D) slo I y III.E) slo II y III.

5. Las molculas que se indican a continuacinF2 O2 N21 2 3

Contienen respectivamente enlaces

1 2 3A) simple doble simpleB) triple simple dobleC) simple doble tripleD) doble triple simpleE) triple doble simple

6. Qu combinacin de tomos (cuyo Z se indica), debe presentar enlace inico?1X 3Y 10 W 17R

A) X WB) X YC) Y - WD) X RE) Y R

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7. El Cloruro de Sodio es un compuesto , muy soluble en agua, por lo tanto se disociaen ella generando que le dan a la solucin caractersticas de .Elneas punteadas debe decir respectivamente

A) inico iones electrolito.B) metlico sales solucin.

C) covalente iones dielctrico.D) apolar molculas electrolito.E) polar mezclas dipolo.

8. En el hidruro de Magnesio (MgH 2 ) el nmero de oxidacin para el Magnesio (Mg) debe ser

A) +1B) -1C) -2D) +2E) +3

9. En la siguiente lista, el nico compuesto hidrofbico debe ser

A) KClB) SiH4C) NH3D) NaOHE) CH3OH

10.Cul de las molculas en las alternativas cumple con las siguientes caractersticas?Es triatmicaTiene momento dipolar.Presenta geometra angular.

A) SO3

B) MgCl2C) CO2D) H2OE) NH3

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11.La hibridacin del carbono en el siguiente gas combustible de nombre acetileno es

C CH HA) sp

B) sp2

C) sp3D) sp3dE) sp3d2

12.Cul de las siguientes molculas tiene geometra piramidal ?

A) NCl3B) CaF2C) SO3D) BH3E) Mg(OH)2

13. La gran mayora de compuestos inicos presenta alta solubilidad en agua. La nica molculaque satisface la condicin anterior es

A) PH3B) CO2C) Mg(OH)2D) CH4E) NH3

14.La siguiente es la molcula de cloruro de vinilo (cloroetileno), un gas incoloro usado comomateria prima para fabricar PVC , su estructura es

C C

Cl

HH

H..

: :

Cul es la valencia del Cloro en la molcula?A) 1B) 3C) 5D) 6E) 7

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15.H2S y H2O tienen en comn la(el)I) valencia del tomo central.

II) nmero de enlaces interatmicos.III) cantidad de electrones no enlazados.

De las anteriores es (son) correcta(s)

A) slo I.B) slo II.C) slo I y II.D) slo II y III.E) I, II y III.

DMON-QC06

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