QuímicaMedioCuestión · 2 pts

Problema resuelto de Química: Enlace químico y geometría molecularSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2017 · Junio · Opción A

Enunciado

Considere las especies químicas:

\text{BF}_3

\text{BF}_4^-

\text{F}_2\text{O}

\text{F}_2\text{CO}

y responda a las cuestiones siguientes:

a) Represente las estructuras de Lewis de cada una de las especies químicas anteriores. (0,5 puntos)

b) Explique razonadamente la geometría de cada una de estas especies químicas. (0,5 puntos)

c) Considerando las moléculas

\text{BF}_3

\text{F}_2\text{O}

, explique en qué caso el enlace del flúor con el átomo central es más polar. (0,5 puntos)

d) Explique razonadamente la polaridad de las moléculas

\text{BF}_3

\text{F}_2\text{O}

\text{F}_2\text{CO}

. (0,5 puntos)

Datos: Números atómicos: B = 5; C = 6; O = 8; F = 9.

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Resultado

\text{BF}_3

: tres B–F, boro con 6 e⁻.

\text{BF}_4^-

: cuatro B–F.

\text{F}_2\text{O}

: dos O–F y dos pares solitarios.

\text{F}_2\text{CO}

: dos C–F y un C=O.

b)

\text{BF}_3

trigonal plana;

\text{BF}_4^-

tetraédrica;

\text{F}_2\text{O}

angular;

\text{F}_2\text{CO}

trigonal plana.

c) Es más polar el enlace B–F (mayor diferencia de electronegatividad).

d)

\text{BF}_3

apolar;

\text{F}_2\text{O}

\text{F}_2\text{CO}

polares.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Todo arranca de los electrones de valencia de cada átomo: con ellos se dibujan las estructuras de Lewis, y de las estructuras se cuentan los pares de electrones alrededor del átomo central. La TRPECV dice cómo se colocan esos pares (lo más lejos posible unos de otros) y, de ahí, la geometría.

Hay dos trampas: el boro del

\text{BF}_3

se queda con seis electrones (excepción a la regla del octeto) y en el

\text{F}_2\text{CO}

el carbono necesita un doble enlace con el oxígeno.

Para la polaridad se usan dos ideas distintas: la del enlace depende de la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos; la de la molécula, de si los momentos dipolares de los enlaces se anulan por la geometría.

Desarrollo

Electrones de valencia. De las configuraciones electrónicas:

\text{B}\ (Z=5):\ 1s^2\,2s^2\,2p^1 \qquad \text{C}\ (Z=6):\ 1s^2\,2s^2\,2p^2 \qquad \text{O}\ (Z=8):\ 1s^2\,2s^2\,2p^4 \qquad \text{F}\ (Z=9):\ 1s^2\,2s^2\,2p^5

El B tiene 3 electrones de valencia, el C 4, el O 6 y el F 7.

a) Estructuras de Lewis

BF₃ ( $3 + 3\cdot 7 = 24$ electrones): el boro central forma tres enlaces simples B–F; cada flúor conserva tres pares solitarios. El boro queda con solo seis electrones a su alrededor: es una excepción a la regla del octeto (octeto incompleto).
BF₄⁻ ( $3 + 4\cdot 7 + 1 = 32$ electrones): el boro forma cuatro enlaces simples B–F y ahora sí completa el octeto. El cuarto enlace se puede ver como un enlace dativo: el $\text{F}^-$ cede un par al orbital vacío del boro del $\text{BF}_3$ . La carga negativa es de todo el ion (se escribe la estructura entre corchetes con la carga fuera).
F₂O ( $2\cdot 7 + 6 = 20$ electrones): el oxígeno central forma dos enlaces simples O–F y le quedan dos pares solitarios; cada F conserva tres.
F₂CO ( $2\cdot 7 + 4 + 6 = 24$ electrones): el carbono central forma dos enlaces simples C–F y un doble enlace C=O, con lo que completa su octeto sin pares solitarios. El oxígeno conserva dos pares solitarios y cada flúor tres.

Estructuras de Lewis: BF3 con tres enlaces simples y el boro con solo seis electrones; BF4 menos, entre corchetes, con cuatro enlaces simples; F2O con dos pares solitarios en el oxígeno; F2CO con un doble enlace C=O; cada flúor con tres pares solitarios

b) Geometría (TRPECV)

Especie	Pares de enlace	Pares solitarios	Tipo	Geometría
$\text{BF}_3$	3	0	$\text{AX}_3$	Trigonal plana, $120^\circ$
$\text{BF}_4^-$	4	0	$\text{AX}_4$	Tetraédrica, $109{,}5^\circ$
$\text{F}_2\text{O}$	2	2	$\text{AX}_2\text{E}_2$	Angular, algo menos de $109{,}5^\circ$
$\text{F}_2\text{CO}$	3 (el doble enlace cuenta como una sola dirección)	0	$\text{AX}_3$	Trigonal plana, unos $120^\circ$

En el $\text{BF}_3$ los tres pares de enlace se separan al máximo en un plano: triángulo equilátero con el B en el centro.
En el $\text{BF}_4^-$ los cuatro pares se dirigen a los vértices de un tetraedro regular.
En el $\text{F}_2\text{O}$ los cuatro pares del oxígeno también se orientan hacia un tetraedro, pero dos son solitarios: los átomos dibujan una molécula angular, con un ángulo menor que el tetraédrico porque los pares solitarios repelen más.
En el $\text{F}_2\text{CO}$ hay tres zonas de densidad electrónica alrededor del carbono: trigonal plana. Los ángulos no son exactamente de $120^\circ$ , porque el doble enlace repele más que los simples.

c) Polaridad de los enlaces B–F y O–F

La polaridad de un enlace crece con la diferencia de electronegatividad de los dos átomos. En el segundo periodo la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha, porque crece la carga nuclear efectiva con el mismo número de capas:

\chi(\text{B}) < \chi(\text{O}) < \chi(\text{F})

El boro está mucho más lejos del flúor en el periodo que el oxígeno, así que la diferencia de electronegatividad es mayor en B–F (en la escala de Pauling,

4{,}0 - 2{,}0 = 2{,}0

frente a

4{,}0 - 3{,}5 = 0{,}5

). El enlace B–F es más polar que el O–F.

d) Polaridad de las moléculas

BF₃: los tres enlaces B–F son polares e iguales, pero en una geometría trigonal plana sus tres momentos dipolares, a $120^\circ$ unos de otros, se anulan: molécula apolar.
F₂O: los dos enlaces O–F son polares y, en una molécula angular, sus momentos dipolares no se anulan; además los pares solitarios del oxígeno contribuyen al momento dipolar: molécula polar.
F₂CO: aunque es trigonal plana, los tres enlaces no son iguales (dos C–F y un C=O, con distinta polaridad), así que sus momentos dipolares no se compensan: molécula polar.

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

Consejo

No fuerces el octeto en el boro: el $\text{BF}_3$ tiene 24 electrones de valencia y con tres enlaces simples ya los has colocado todos. Si le pones un doble enlace B=F, la geometría te sale igual, pero la estructura de Lewis está mal.

En d) no basta con «tiene enlaces polares»: hay que decir la geometría y si los momentos dipolares se anulan. El $\text{F}_2\text{CO}$ es la pregunta trampa: trigonal plana como el $\text{BF}_3$ , pero polar porque sus enlaces son distintos.