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Enlace químico y geometría molecular

Castilla y León · 2018 · Julio · Opción B

Enunciado

Para las moléculas

\text{CO}_2

\text{NH}_3

\text{CH}_4

:

a) (0,6 puntos) Indique y justifique cuáles son sus estructuras de Lewis.

b) (0,6 puntos) Indique y justifique la geometría que presentan.

c) (0,6 puntos) Indique y justifique si son o no polares.

d) (0,7 puntos) Entre el

\text{NH}_3

y el

\text{CH}_4

justifique cuál de los dos tendrá menores ángulos de enlace.

Datos: números atómicos:

\text{H} = 1

;

\text{C} = 6

;

\text{N} = 7

;

\text{O} = 8

Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido

Resultado

a) $\text{CO}_2$ : O=C=O con dos pares solitarios en cada O; $\text{NH}_3$ : tres N–H y un par solitario; $\text{CH}_4$ : cuatro C–H.
b) $\text{CO}_2$ lineal ( $180^\circ$ ); $\text{NH}_3$ pirámide trigonal; $\text{CH}_4$ tetraédrica ( $109{,}5^\circ$ ).
c) Solo el $\text{NH}_3$ es polar.
d) El $\text{NH}_3$ ( $\approx 107^\circ$ ): el par solitario cierra los ángulos.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Se empieza contando los electrones de valencia para escribir las estructuras de Lewis cumpliendo el octeto. Con ellas, la TRPECV da la geometría: los pares de electrones del átomo central (enlazantes y solitarios) se alejan lo más posible, y la forma de la molécula se describe solo por la posición de los átomos.

La polaridad sale de sumar los momentos dipolares de los enlaces según esa geometría, y los ángulos dependen de que los pares solitarios repelen más que los enlazantes.

Desarrollo

a) Estructuras de Lewis

Electrones de valencia: C (

2s^2\,2p^2

) 4, N (

2s^2\,2p^3

) 5, O (

2s^2\,2p^4

) 6 y H (

1s^1

) 1.

$\text{CO}_2$ : $4 + 2\cdot 6 = 16$ electrones (8 pares). El C se sitúa en el centro y, para que los tres átomos completen el octeto, forma un doble enlace con cada O; cada O conserva dos pares solitarios:

\text{:}\ddot{\text{O}}\text{=C=}\ddot{\text{O}}\text{:}

$\text{NH}_3$ : $5 + 3 = 8$ electrones (4 pares). Tres enlaces sencillos N–H y un par solitario sobre el N, que así completa el octeto (cada H, su dueto):

\begin{array}{c} \text{H–}\ddot{\text{N}}\text{–H} \\ | \\ \text{H} \end{array}

$\text{CH}_4$ : $4 + 4 = 8$ electrones (4 pares). Cuatro enlaces sencillos C–H y ningún par solitario:

\begin{array}{c} \text{H} \\ | \\ \text{H–C–H} \\ | \\ \text{H} \end{array}

b) Geometría (TRPECV)

Molécula	Pares en el átomo central	Disposición de los pares	Geometría	Ángulo
$\text{CO}_2$	2 regiones (dos dobles enlaces), 0 solitarios	lineal	lineal	$180^\circ$
$\text{NH}_3$	3 enlazantes + 1 solitario	tetraédrica	pirámide trigonal	$\approx 107^\circ$
$\text{CH}_4$	4 enlazantes, 0 solitarios	tetraédrica	tetraédrica	$109{,}5^\circ$

En el

\text{CO}_2

cada doble enlace cuenta como una sola región de densidad electrónica: dos regiones se colocan a

180^\circ

(hibridación

sp

del C). En el

\text{NH}_3

y el

\text{CH}_4

los cuatro pares se orientan hacia los vértices de un tetraedro (hibridación

sp^3

); en el amoniaco uno de los vértices lo ocupa el par solitario, por eso los átomos forman una pirámide con el N en el vértice.

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

c) Polaridad

Una molécula es polar si tiene enlaces polares y sus momentos dipolares no se anulan por la geometría.

$\text{CO}_2$ : los enlaces C=O son polares (el O es más electronegativo que el C), pero la molécula es lineal y simétrica: los dos momentos son iguales y opuestos, $\vec{\mu}_\text{total} = 0$ . Apolar.
$\text{NH}_3$ : los enlaces N–H son polares (el N es más electronegativo que el H) y en la pirámide trigonal sus momentos no se anulan; además el par solitario refuerza la asimetría. $\vec{\mu}_\text{total} \neq 0$ : polar.
$\text{CH}_4$ : los enlaces C–H son muy poco polares y, en la geometría tetraédrica regular, sus cuatro momentos se anulan. Apolar.

d) Ángulos de enlace: $\text{NH}_3$ frente a $\text{CH}_4$

En los dos el átomo central tiene cuatro pares de electrones con disposición tetraédrica. Pero según la TRPECV los pares solitarios ocupan más espacio que los enlazantes (están atraídos solo por un núcleo y su nube está más cerca del átomo central), así que las repulsiones siguen el orden

\text{solitario–solitario} > \text{solitario–enlazante} > \text{enlazante–enlazante}

En el

\text{NH}_3

el par solitario del N empuja a los tres pares enlazantes y los cierra: el ángulo H–N–H baja a unos

107^\circ

. En el

\text{CH}_4

los cuatro pares son enlazantes y equivalentes, y el ángulo es el del tetraedro regular,

109{,}5^\circ

.

Por tanto, el $\text{NH}_3$ tiene los ángulos de enlace menores.

Consejo

Distingue la disposición de los pares (tetraédrica en el $\text{NH}_3$ ) de la geometría de la molécula, que solo mira dónde están los átomos (pirámide trigonal). Decir que el amoniaco es «tetraédrico» es el error que más puntos cuesta en este tipo de pregunta.

Y en el $\text{CO}_2$ , los dos dobles enlaces cuentan como dos regiones, no como cuatro pares.