QuímicaMedio2,5 pts

Enlace químico y geometría molecular

Extremadura · 2018 · Julio · Opción A

Enunciado

Dadas las moléculas: 1) eteno; 2) etino; 3) trifluoruro de boro y 4) amoníaco;

a) (0,75 puntos) Escribir sus estructuras de Lewis;

b) (0,75 puntos) Razonar sus polaridades, si la tienen y

c) (1 punto) Explicar su hibridación según la TRPECV.

Datos: Números atómicos,

Z

: H: 1; B: 5; C: 6; N: 7; F: 9.

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Resultado

\boxed{\;\text{Eteno: } sp^2,\ \text{plana, apolar}\;}\qquad\boxed{\;\text{Etino: } sp,\ \text{lineal, apolar}\;}

\boxed{\;\text{BF}_3:\ sp^2,\ \text{triangular plana, apolar}\;}\qquad\boxed{\;\text{NH}_3:\ sp^3,\ \text{piramidal, polar}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Primero se escriben las fórmulas (

\text{C}_2\text{H}_4

\text{C}_2\text{H}_2

\text{BF}_3

\text{NH}_3

) y se cuentan los electrones de valencia para dibujar las estructuras de Lewis. Con la TRPECV se cuentan las regiones de densidad electrónica (un enlace múltiple cuenta como una) alrededor de cada átomo central: eso da la geometría y la hibridación (

2 \to sp

3 \to sp^2

4 \to sp^3

). La polaridad de cada molécula sale de sumar los momentos dipolares de sus enlaces según esa geometría.

Desarrollo

Electrones de valencia (de las configuraciones):

$\text{H}\ (Z = 1)$ : $1s^1$ → 1 electrón de valencia.
$\text{B}\ (Z = 5)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^1$ → 3.
$\text{C}\ (Z = 6)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^2$ → 4.
$\text{N}\ (Z = 7)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^3$ → 5.
$\text{F}\ (Z = 9)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^5$ → 7.

a) Estructuras de Lewis.

Eteno,

\text{CH}_2\text{=CH}_2

2\cdot 4 + 4\cdot 1 = 12

electrones de valencia (6 pares). Cada carbono se une a dos hidrógenos y los dos carbonos comparten dos pares (doble enlace); así cada C tiene su octeto:

\begin{array}{ccccccc} & & \text{H} & & \text{H} & & \\ & & | & & | & & \\ \text{H} & - & \text{C} & = & \text{C} & - & \text{H} \end{array}

Etino,

\text{CH}{\mkern2mu\equiv\mkern2mu}\text{CH}

2\cdot 4 + 2\cdot 1 = 10

electrones (5 pares). Cada carbono tiene un solo hidrógeno, así que para completar el octeto los carbonos comparten tres pares (triple enlace):

\text{H}-\text{C}{\mkern2mu\equiv\mkern2mu}\text{C}-\text{H}

Trifluoruro de boro,

\text{BF}_3

3 + 3\cdot 7 = 24

electrones (12 pares). Tres enlaces simples

\text{B–F}

y tres pares solitarios en cada flúor:

\begin{array}{ccccc} & & :\!\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}\!: & & \\ & & | & & \\ :\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}} & - & \text{B} & - & \underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}}\!: \end{array}

El boro se queda con 6 electrones: es una excepción a la regla del octeto (octeto incompleto).

Amoníaco,

\text{NH}_3

5 + 3\cdot 1 = 8

electrones (4 pares). Tres enlaces

\text{N–H}

y un par solitario sobre el nitrógeno:

\begin{array}{ccccc} \text{H} & - & \overset{\cdot\cdot}{\text{N}} & - & \text{H} \\ & & | & & \\ & & \text{H} & & \end{array}

b) Polaridad.

Una molécula es polar si la suma vectorial de los momentos dipolares de sus enlaces no es nula; para saberlo hace falta la geometría (TRPECV):

Eteno: cada carbono tiene tres regiones de densidad electrónica (dos enlaces C–H y el doble enlace), dispuestas en un plano a unos $120^\circ$ ; la molécula es plana y simétrica. Los enlaces C–H son muy poco polares ( $\chi_\text{C} = 2{,}6$ , $\chi_\text{H} = 2{,}2$ ) y sus momentos se anulan dos a dos; el C=C es apolar. Apolar.
Etino: dos regiones por carbono, a $180^\circ$ : molécula lineal. Los dos momentos C–H son iguales y opuestos. Apolar.
Trifluoruro de boro: los enlaces B–F son muy polares (el F es mucho más electronegativo), pero los tres están en un plano a $120^\circ$ (triangular plana) y su suma es cero. Apolar.
Amoníaco: cuatro pares alrededor del N (tres enlazantes y uno libre) en disposición tetraédrica; la molécula es una pirámide trigonal (unos $107^\circ$ ). Los tres momentos N–H, polares, no se anulan. Polar.

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

c) Hibridación.

El número de regiones de densidad electrónica (pares enlazantes, contando un enlace múltiple como uno, más pares solitarios) del átomo central indica cuántos orbitales híbridos necesita:

Molécula	Átomo	Regiones	Hibridación	Geometría
Eteno	C	3	$sp^2$	Triangular plana, $120^\circ$
Etino	C	2	$sp$	Lineal, $180^\circ$
$\text{BF}_3$	B	3	$sp^2$	Triangular plana, $120^\circ$
$\text{NH}_3$	N	4 (3 + 1 libre)	$sp^3$	Pirámide trigonal, $\approx 107^\circ$

Eteno: cada C combina el $2s$ con dos $2p$ y forma tres híbridos $sp^2$ (dos enlaces $\sigma$ con H y uno $\sigma$ C–C). El orbital $2p$ que queda sin hibridar en cada carbono se solapa lateralmente con el del otro: es el enlace $\pi$ . El doble enlace es $\sigma + \pi$ .
Etino: cada C forma dos híbridos $sp$ (un $\sigma$ con H y un $\sigma$ C–C) y le quedan dos $2p$ sin hibridar, que dan dos enlaces $\pi$ . El triple enlace es $\sigma + 2\pi$ .
Trifluoruro de boro: el B promociona un electrón ( $2s^1\,2p^2$ ) y forma tres híbridos $sp^2$ con un electrón cada uno, que se solapan con un orbital $2p$ de cada F. Queda un $2p$ vacío en el boro.
Amoníaco: el N forma cuatro híbridos $sp^3$ : tres con un electrón (los tres enlaces $\sigma$ con los H) y uno con el par solitario. El par libre repele más que los enlazantes y cierra el ángulo por debajo de $109{,}5^\circ$ .

Consejo

En la TRPECV un doble o un triple enlace cuenta como una sola región de densidad electrónica: el carbono del etino tiene dos regiones (lineal, $sp$ ), no cuatro. Los orbitales $p$ que no se hibridan son los que forman los enlaces $\pi$ .

Y no le pongas un par solitario al boro para «completar» el octeto: con 3 electrones de valencia solo forma tres enlaces. Es la excepción que más se pregunta.