Enlace químico y geometría molecular

a) Geometría e hibridación

Electrones de valencia: C ($2s^2\,2p^2$), 4; B ($2s^2\,2p^1$), 3; O ($2s^2\,2p^4$), 6; F y Cl, 7; H, 1.

1) $\text{CCl}_4$. El C forma cuatro enlaces sencillos C–Cl y no le quedan pares solitarios: 4 zonas de densidad electrónica, todas enlazantes (tipo $\text{AB}_4$). Se orientan hacia los vértices de un tetraedro. Geometría tetraédrica, ángulos Cl–C–Cl de $109{,}5^\circ$. Hibridación del C: $sp^3$ (cuatro híbridos, cada uno solapa con un orbital $3p$ de un Cl).

2) $\text{BF}_3$. El B solo tiene 3 electrones de valencia: forma tres enlaces B–F y se queda con 6 electrones (octeto incompleto), sin pares solitarios. 3 zonas enlazantes ($\text{AB}_3$): geometría triangular plana, ángulos F–B–F de $120^\circ$. Hibridación del B: $sp^2$ (le queda un orbital $2p$ vacío, perpendicular al plano).

3) $\text{HC}{\mkern2mu\equiv\mkern2mu}\text{CH}$ (etino o acetileno). Cada C forma un enlace sencillo con un H y un triple con el otro C, y no tiene pares solitarios. El triple enlace cuenta como una sola zona, así que cada C tiene 2 zonas: se colocan a $180^\circ$. Molécula lineal, H–C–C de $180^\circ$. Hibridación de cada C: $sp$. El triple enlace está formado por un enlace $\sigma$ (solapamiento frontal de dos híbridos $sp$) y dos enlaces $\pi$ (solapamiento lateral de los dos orbitales $p$ sin hibridar de cada C).

4) $\text{H}_2\text{O}$. El O forma dos enlaces O–H y conserva dos pares solitarios: 4 zonas ($\text{AB}_2\text{E}_2$), distribuidas en tetraedro. Como solo se ven los átomos, la geometría molecular es angular. Los pares solitarios repelen más que los enlazantes y cierran el ángulo H–O–H hasta unos $104{,}5^\circ$ (menor que $109{,}5^\circ$). Hibridación del O: $sp^3$.

b) Enlace de hidrógeno

El enlace (o puente) de hidrógeno es una fuerza intermolecular que aparece cuando un átomo de H está unido covalentemente a un átomo muy electronegativo y pequeño (F, O o N): el enlace queda muy polarizado, el H con una carga parcial positiva grande, y este H es atraído por un par solitario del F, O o N de una molécula vecina.

• $\text{CCl}_4$ y $\text{BF}_3$: no tienen hidrógeno. No pueden formarlo (además son apolares por su simetría; entre sus moléculas solo hay fuerzas de dispersión de London).
• $\text{HC}{\mkern2mu\equiv\mkern2mu}\text{CH}$: tiene H, pero unido a C, que es poco electronegativo. No forma enlaces de hidrógeno.
• $\text{H}_2\text{O}$: tiene H unido a O, y el O tiene dos pares solitarios. Sí forma enlaces de hidrógeno; cada molécula puede formar hasta cuatro (dos por sus H y dos por sus pares solitarios).

Solo el agua posee enlaces por puente de hidrógeno. Por eso es líquida a temperatura ambiente, con un punto de ebullición anormalmente alto para su masa molecular.