QuímicaMedio2 pts

Enlace químico y geometría molecular

También trata: Fuerzas intermoleculares y propiedades

Extremadura · 2020 · Septiembre

Enunciado

Dadas las moléculas: 1)

\text{CH}_4

; 2)

\text{BCl}_3

; 3)

\text{BeH}_2

y 4)

\text{NH}_3

a) (0,80 puntos) Escribir la estructura de Lewis de cada una de ellas.

b) (0,80 puntos) Indicar, razonadamente, la hibridación que presenta cada una de ellas.

c) (0,40 puntos) Justificar si alguna de ellas presenta enlaces por puentes de hidrógeno.

Datos: Números atómicos (

Z

\text{H} = 1

;

\text{Be} = 4

;

\text{B} = 5

;

\text{C} = 6

;

\text{N} = 7

;

\text{Cl} = 17

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Resultado

a) $\text{CH}_4$ y $\text{NH}_3$ cumplen el octeto (el N con un par libre); $\text{BCl}_3$ (6 e⁻ en B) y $\text{BeH}_2$ (4 e⁻ en Be) no.
b) $\text{CH}_4$ : $sp^3$ ; $\text{BCl}_3$ : $sp^2$ ; $\text{BeH}_2$ : $sp$ ; $\text{NH}_3$ : $sp^3$ .
c) Solo el $\text{NH}_3$ forma enlaces de hidrógeno.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Todo sale de contar los electrones de valencia del átomo central:

Con ellos se dibuja la estructura de Lewis: cuántos enlaces forma y si le quedan pares libres. El Be y el B no llegan al octeto (son las excepciones típicas).
Con la TRPECV, el número de pares alrededor del átomo central (enlazantes + libres) fija la disposición y, con ella, la hibridación: 2 pares → $sp$ , 3 → $sp^2$ , 4 → $sp^3$ .
El enlace de hidrógeno exige un H unido a F, O o N; de las cuatro, solo una lo cumple.

Desarrollo

Electrones de valencia (configuraciones):

$\text{H}\ (Z = 1)$ : $1s^1$ → 1 electrón.
$\text{Be}\ (Z = 4)$ : $1s^2\,2s^2$ → 2 electrones.
$\text{B}\ (Z = 5)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^1$ → 3 electrones.
$\text{C}\ (Z = 6)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^2$ → 4 electrones.
$\text{N}\ (Z = 7)$ : $1s^2\,2s^2\,2p^3$ → 5 electrones.
$\text{Cl}\ (Z = 17)$ : $[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$ → 7 electrones (forma un enlace).

a) Estructuras de Lewis.

Metano,

\text{CH}_4

4 + 4\cdot 1 = 8

electrones (4 pares). El carbono forma cuatro enlaces simples y completa el octeto:

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

Tricloruro de boro,

\text{BCl}_3

3 + 3\cdot 7 = 24

electrones (12 pares). Tres enlaces simples

\text{B–Cl}

y tres pares libres en cada cloro:

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

El boro se queda con 6 electrones: octeto incompleto.

Hidruro de berilio,

\text{BeH}_2

2 + 2\cdot 1 = 4

electrones (2 pares). Dos enlaces simples y ningún par libre:

\text{H} - \text{Be} - \text{H}

El berilio se queda con solo 4 electrones: también es una excepción al octeto.

Amoniaco,

\text{NH}_3

5 + 3\cdot 1 = 8

electrones (4 pares). Tres enlaces

\text{N–H}

y un par libre sobre el nitrógeno, que cumple el octeto:

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

b) Hibridación.

Según la TRPECV, los pares de electrones del átomo central (enlazantes y libres) se separan al máximo; la hibridación es la que da tantos orbitales híbridos como pares hay que alojar:

Molécula	Pares enlazantes	Pares libres	Disposición de los pares	Hibridación	Geometría
$\text{CH}_4$	4	0	Tetraédrica	$sp^3$	Tetraédrica, $109{,}5^\circ$
$\text{BCl}_3$	3	0	Triangular plana	$sp^2$	Triangular plana, $120^\circ$
$\text{BeH}_2$	2	0	Lineal	$sp$	Lineal, $180^\circ$
$\text{NH}_3$	3	1	Tetraédrica	$sp^3$	Pirámide trigonal, $\approx 107^\circ$

C en el $\text{CH}_4$ : promociona un electrón $2s \to 2p$ ( $2s^1\,2p^3$ ) y combina el $2s$ con los tres $2p$ : cuatro híbridos $sp^3$ con un electrón cada uno, que solapan con el $1s$ de cuatro H.
B en el $\text{BCl}_3$ : $2s^1\,2p^2$ tras la promoción; el $2s$ y dos $2p$ dan tres híbridos $sp^2$ en un plano (queda un $2p$ vacío).
Be en el $\text{BeH}_2$ : $2s^1\,2p^1$ tras la promoción; dos híbridos $sp$ opuestos.
N en el $\text{NH}_3$ : cuatro híbridos $sp^3$ , tres con un electrón (enlaces con los H) y uno con el par libre. El par libre repele más y cierra el ángulo por debajo de $109{,}5^\circ$ .

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

c) Enlace de hidrógeno.

Se forma cuando un H está unido a un átomo muy electronegativo y pequeño (F, O o N), que deja al H con una carga parcial positiva grande, y en la molécula vecina hay un par libre de F, O o N al que el H se acerca.

$\text{NH}_3$ : H unido a N y par libre sobre el N. Sí forma enlaces de hidrógeno.
$\text{CH}_4$ : el C es poco electronegativo y no tiene pares libres. No.
$\text{BeH}_2$ : el Be es menos electronegativo que el H (el H lleva carga parcial negativa). No.
$\text{BCl}_3$ : no tiene hidrógeno. No.

Consejo

No completes a la fuerza el octeto del Be y del B: con 2 y 3 electrones de valencia solo pueden formar 2 y 3 enlaces simples. Son las excepciones (octeto incompleto) que buscan los correctores.

En b), la hibridación se cuenta con todos los pares del átomo central, también los libres: el $\text{NH}_3$ es $sp^3$ aunque la molécula sea una pirámide, no un tetraedro.