QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Enlace químico y geometría molecular

Andalucía · 2017 · Reserva 3 · Opción B

Enunciado

Opción B · Cuestión 2. Dadas las siguientes especies químicas

\text{NCl}_3

\text{BCl}_3

:

a) Explique por qué el tricloruro de nitrógeno presenta carácter polar y, sin embargo, el tricloruro de boro es apolar.

b) ¿Cuál de las dos sustancias será soluble en agua? Justifique su respuesta.

c) Indique la hibridación del átomo central en cada una de las especies.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) } \text{NCl}_3 \text{ piramidal (asimétrica)}; \; \text{BCl}_3 \text{ trigonal plana (los dipolos se anulan)}\;}

\boxed{\;\textbf{b) } \text{NCl}_3, \text{ por ser polar}\;}

\boxed{\;\textbf{c) } \text{NCl}_3: sp^3; \qquad \text{BCl}_3: sp^2\;}

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Estrategia

Las dos moléculas tienen la misma fórmula general (

\text{AX}_3

) y enlaces polares en ambos casos, así que la diferencia solo puede estar en la geometría. Y la geometría depende de un detalle: los electrones de valencia del átomo central.

\text{N}: 5\ e^- \;\Rightarrow\; 3 \text{ enlaces} + \mathbf{1\ par\ solitario} \qquad\qquad \text{B}: 3\ e^- \;\Rightarrow\; 3 \text{ enlaces} + \mathbf{0\ pares}

Ese par solitario del nitrógeno lo cambia todo: número de dominios, hibridación, geometría y polaridad.

Desarrollo

a) El $\text{NCl}_3$ es polar y el $\text{BCl}_3$ , apolar.

En ambos casos los enlaces son polares, porque el cloro es más electronegativo que el nitrógeno y que el boro. La diferencia está en si esos dipolos se cancelan.

$\text{NCl}_3$ : el nitrógeno tiene

3

dominios enlazantes

+ 1

solitario

= 4

dominios (

\text{AX}_3\text{E}

). La geometría molecular es pirámide trigonal, asimétrica:

\vec{\mu}_{\text{total}} \neq \vec{0} \qquad\Longrightarrow\qquad \textbf{molécula polar}

$\text{BCl}_3$ : el boro solo tiene 3 electrones de valencia, así que forma tres enlaces y se queda con seis electrones, sin pares solitarios (es una de las excepciones clásicas al octeto). Con

3

dominios (

\text{AX}_3

), la geometría es trigonal plana, perfectamente simétrica: los tres dipolos, separados

120^\circ

, se cancelan exactamente.

\vec{\mu}_{\text{total}} = \vec{0} \qquad\Longrightarrow\qquad \textbf{molécula apolar}

b) Soluble en agua: el $\text{NCl}_3$ .

El agua es un disolvente muy polar, y rige el criterio lo semejante disuelve a lo semejante:

El $\text{NCl}_3$ , al ser polar, puede establecer interacciones dipolo-dipolo favorables con las moléculas de agua, así que presenta afinidad por ella.
El $\text{BCl}_3$ , apolar, no interacciona favorablemente con el agua y sería insoluble en ella, aunque sí lo sería en disolventes apolares como el benceno o el tetracloruro de carbono.

(Un matiz: en la práctica ambos compuestos reaccionan con el agua (se hidrolizan; el $\text{BCl}_3$ , violentamente) en lugar de simplemente disolverse, y la polaridad del $\text{NCl}_3$ es pequeña. El razonamiento por polaridad es, no obstante, el que pide el enunciado.)

c) Hibridación del átomo central.

$\text{NCl}_3$ : cuatro dominios electrónicos (tres enlaces

+

un par solitario) exigen cuatro orbitales híbridos:

s + p + p + p \;\longrightarrow\; \mathbf{sp^3} \qquad (\text{disposición tetraédrica de los pares})

$\text{BCl}_3$ : tres dominios, todos enlazantes, exigen tres orbitales híbridos:

s + p + p \;\longrightarrow\; \mathbf{sp^2} \qquad (\text{trigonal plana}, \; 120^\circ)

Al boro le queda además un orbital

p

vacío y perpendicular al plano, lo que lo convierte en un ácido de Lewis muy potente: puede aceptar un par de electrones.

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

Esta pareja es el ejemplo perfecto de que enlace polar no implica molécula polar. Las dos tienen la misma fórmula $\text{AX}_3$ y enlaces polares, y sin embargo una es polar y la otra no: lo decisivo es la simetría de la geometría.

El origen de todo está en el par solitario del nitrógeno, que el boro no tiene por ser una excepción al octeto. Empieza siempre por contar los electrones de valencia del átomo central: de ahí salen los dominios, la hibridación y la geometría.

Y para la hibridación, cuenta dominios (enlaces $+$ pares solitarios), no solo enlaces: cuatro $\to sp^3$ , tres $\to sp^2$ , dos $\to sp$ .