Enlace químico y geometría molecular

a) Geometría: tetraédrica.

Con cuatro dominios electrónicos, todos enlazantes, la disposición que minimiza las repulsiones es la tetraédrica, y como no hay pares solitarios, la geometría molecular coincide con ella:$$\text{Ángulos} \approx 109{,}5^\circ$$En rigor, la geometría es una tetraédrica ligeramente distorsionada: los cuatro enlaces no son iguales (el $\text{C}\!-\!\text{Cl}$ es más largo y más polar que los $\text{C}\!-\!\text{H}$), así que los ángulos se apartan un grado o dos de $109{,}5^\circ$ (experimentalmente, $\text{H}\!-\!\text{C}\!-\!\text{H} \approx 110{,}5^\circ$ y $\text{H}\!-\!\text{C}\!-\!\text{Cl} \approx 108{,}5^\circ$).

b) La molécula es polar.

Analizamos los enlaces y luego la geometría:

• Los enlaces $\text{C}\!-\!\text{H}$ son muy poco polares ($\Delta\chi = 0{,}4$).
• El enlace $\text{C}\!-\!\text{Cl}$ es claramente polar ($\Delta\chi = 0{,}6$, con el cloro atrayendo la densidad electrónica).

Al sumar vectorialmente, el dipolo del enlace $\text{C}\!-\!\text{Cl}$ no encuentra otro que lo compense: la molécula ya no tiene la simetría del metano.$$\vec{\mu}_{\text{total}} \neq \vec{0} \qquad\Longrightarrow\qquad \textbf{molécula polar} \;(\mu = 1{,}9\ \text{D})$$La comparación con el $\text{CH}_4$ y el $\text{CCl}_4$ es esclarecedora: los dos son tetraédricos y apolares, porque sus cuatro sustituyentes son idénticos y los dipolos se anulan. Basta con que uno sea distinto para que aparezca un momento dipolar neto.

c) Hibridación del carbono: $sp^3$.

El carbono forma cuatro enlaces $\sigma$, así que necesita cuatro orbitales híbridos equivalentes, resultantes de combinar el orbital $2s$ con los tres $2p$:$$s + p + p + p \;\longrightarrow\; \textbf{4 orbitales } sp^3$$Se orientan hacia los vértices de un tetraedro, lo que es coherente con la geometría del apartado a).