QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Enlace químico y geometría molecular

Andalucía · 2020 · Reserva 3

Enunciado

Bloque B · B3. Dadas las especies químicas

\text{H}_2\text{O}

\text{PCl}_3

:

a) Dibuje la estructura de Lewis de cada molécula y prediga su geometría.

b) Justifique la polaridad de las moléculas según la TRPECV.

c) Explique cuál tendrá un mayor punto de fusión.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) } \text{H}_2\text{O}: \text{angular} \;(104{,}5^\circ); \qquad \text{PCl}_3: \text{pirámide trigonal}\;}

\boxed{\;\textbf{b) Las dos son polares: los pares solitarios impiden que los dipolos se anulen}\;}

\boxed{\;\textbf{c) } \text{H}_2\text{O}, \text{ por sus enlaces de hidrógeno}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

El camino es siempre el mismo y en este orden: Lewis $\to$ pares de electrones alrededor del átomo central $\to$ geometría $\to$ polaridad $\to$ propiedad física.

Cuenta los electrones de valencia de partida:

\text{H}_2\text{O}: \; 6 + 2(1) = 8\ e^- \qquad\qquad \text{PCl}_3: \; 5 + 3(7) = 26\ e^-

Y no pierdas de vista los pares solitarios: son los que hacen que la geometría no sea simétrica y, con ella, que las moléculas sean polares.

Desarrollo

a) Estructuras de Lewis y geometría.

Agua. El oxígeno forma dos enlaces simples y le quedan dos pares solitarios:

\text{H}\!-\!\ddot{\text{O}}\!-\!\text{H} \qquad (\text{con dos pares libres sobre el O})

Alrededor del átomo central hay 4 dominios electrónicos (2 enlazantes + 2 solitarios): la disposición es tetraédrica, pero la forma molecular —la que dibujan los átomos— es angular, con un ángulo de unos

104{,}5^\circ

(menor que los

109{,}5^\circ

teóricos porque los pares solitarios repelen más).

Tricloruro de fósforo. El fósforo forma tres enlaces simples y le queda un par solitario; cada cloro completa su octeto con tres pares:

\text{Cl}\!-\!\ddot{\text{P}}(\text{Cl})\!-\!\text{Cl} \qquad (\text{con un par libre sobre el P})

También hay 4 dominios (3 enlazantes + 1 solitario): disposición tetraédrica y geometría de pirámide trigonal, con ángulos próximos a

100\text{–}107^\circ

.

b) Polaridad: las dos moléculas son polares.

En ambas, los enlaces son polares porque hay diferencia de electronegatividad (

\text{O} > \text{H}

\text{Cl} > \text{P}

). Lo decisivo es si esos dipolos de enlace se cancelan al sumarlos vectorialmente, y la geometría asimétrica impide que lo hagan:

En el agua, los dos dipolos $\text{O}\!-\!\text{H}$ apuntan hacia el oxígeno y, al formar un ángulo de $104{,}5^\circ$ , su resultante es no nula: $\mu \neq 0$ .
En el $\text{PCl}_3$ , los tres dipolos $\text{P}\!-\!\text{Cl}$ tienen componentes que se suman en la dirección del eje de la pirámide, reforzados además por el par solitario: $\mu \neq 0$ .

En los dos casos, el par o pares solitarios rompen la simetría. Si el agua fuese lineal, o el

\text{PCl}_3

trigonal plano (como el

\text{BCl}_3

), los dipolos se anularían y las moléculas serían apolares.

c) Mayor punto de fusión: el agua.

Las dos son moleculares, así que lo que hay que comparar son las fuerzas intermoleculares:

El $\text{H}_2\text{O}$ tiene hidrógeno unido directamente a oxígeno, muy electronegativo y con pares solitarios: forma enlaces de hidrógeno, las fuerzas intermoleculares más intensas (hasta cuatro por molécula, formando una red tridimensional).
El $\text{PCl}_3$ solo presenta interacciones dipolo-dipolo y fuerzas de dispersión, bastante más débiles pese a su mayor masa molecular.

T_f(\text{H}_2\text{O}) = 0\ ^\circ\text{C} \qquad\qquad T_f(\text{PCl}_3) = -94\ ^\circ\text{C}

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

Consejo

Distingue siempre entre disposición de los pares (que aquí es tetraédrica en las dos moléculas) y geometría molecular (angular y piramidal). Es el error más frecuente: los pares solitarios ocupan espacio y determinan los ángulos, pero no se dibujan como vértices de la forma molecular.

Para la polaridad, razona con vectores: enlaces polares más geometría asimétrica $=$ molécula polar. Con esa regla resuelves también los casos contrarios ( $\text{CO}_2$ , $\text{CCl}_4$ , $\text{BF}_3$ ), que tienen enlaces polares y sin embargo son apolares.

Y en c), no compares masas moleculares sin más: el $\text{PCl}_3$ pesa casi ocho veces más que el agua y aun así funde $94$ grados por debajo. Lo que manda es el tipo de fuerza intermolecular.