QuímicaMedioCuestión · 2 pts

Enlace químico y geometría molecular

También trata: Fuerzas intermoleculares y propiedades

Comunidad de Madrid · 2020 · Septiembre

Enunciado

Responda las siguientes cuestiones:

a) (0,75 puntos) Para la molécula

\text{NF}_3

, indique la hibridación del átomo central, número de orbitales híbridos y número de electrones en cada orbital híbrido.

b) (0,75 puntos) Justifique si la molécula

\text{NF}_3

es polar o apolar.

c) (0,5 puntos) Explique la solubilidad del propan-2-ol en agua en función de las fuerzas intermoleculares existentes.

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Resultado

a) N con hibridación $sp^3$ : 4 orbitales híbridos; uno con 2 electrones (par solitario) y tres con 1 electrón cada uno.
b) Pirámide trigonal con enlaces polares que no se anulan: polar.
c) Muy soluble: forma enlaces de hidrógeno con el agua y su cadena apolar es corta.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Se empieza por la estructura de Lewis del

\text{NF}_3

: alrededor del nitrógeno hay cuatro pares de electrones (tres enlazantes y uno solitario). Cuatro pares piden hibridación $sp^3$ y una disposición tetraédrica; con un par solitario, la molécula es pirámide trigonal.

La polaridad depende de dos cosas: que los enlaces sean polares y que la geometría no anule sus momentos dipolares.

En c), la clave es el grupo

-\text{OH}

del alcohol, capaz de formar enlaces de hidrógeno con el agua.

Desarrollo

a) El nitrógeno (

Z = 7

) tiene la configuración de valencia

2s^2\,2p^3

: cinco electrones de valencia. En la estructura de Lewis, el N central forma tres enlaces simples N–F (tres pares compartidos) y le queda un par solitario; cada flúor completa su octeto con tres pares solitarios. En total,

5 + 3\cdot 7 = 26

electrones de valencia, 13 pares. Hay cuatro dominios electrónicos alrededor del N, así que el nitrógeno combina su orbital

2s

y sus tres orbitales

2p

en una hibridación $sp^3$ :

Número de orbitales híbridos: 4 orbitales $sp^3$ , dirigidos hacia los vértices de un tetraedro.
Electrones en cada orbital híbrido: los 5 electrones de valencia se reparten así: un orbital $sp^3$ con 2 electrones (el par solitario) y tres orbitales $sp^3$ con 1 electrón cada uno.

\text{N}: \; 2s^2\,2p^3 \;\longrightarrow\; (sp^3)^2\,(sp^3)^1\,(sp^3)^1\,(sp^3)^1

Cada uno de los tres orbitales semiocupados se solapa con un orbital

2p

semiocupado de un flúor y forma un enlace

\sigma

N–F; una vez formado el enlace, cada uno de esos orbitales queda con un par de electrones compartido.

b) Según la TRPECV, los cuatro pares se disponen en tetraedro, pero como uno es solitario, la geometría molecular es pirámide trigonal (como el

\text{NH}_3

), con ángulos F–N–F algo menores de

109{,}5^\circ

(unos

102^\circ

Los enlaces N–F son polares: el flúor es más electronegativo que el nitrógeno, así que cada enlace tiene un momento dipolar dirigido hacia el F.
La geometría piramidal no es simétrica: los tres momentos de enlace no se anulan, su suma da un momento dipolar resultante distinto de cero.

Por tanto, el $\text{NF}_3$ es una molécula polar. (Su momento dipolar es pequeño, porque el par solitario del N apunta en sentido contrario a la resultante de los enlaces, pero no es nulo.)

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

c) El propan-2-ol,

\text{CH}_3{-}\text{CHOH}{-}\text{CH}_3

, tiene un grupo hidroxilo

-\text{OH}

unido a una cadena corta de tres carbonos.

El $-\text{OH}$ tiene un hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo y pequeño (O) con pares solitarios. Por eso el propan-2-ol puede formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua, en los dos sentidos: el H de su $-\text{OH}$ con el O del agua, y el O de su $-\text{OH}$ con los H del agua. Son interacciones intensas, parecidas a las que el agua tiene consigo misma.
Además hay fuerzas dipolo-dipolo (las dos moléculas son polares) y fuerzas de dispersión de London.
La parte apolar (la cadena hidrocarbonada) es pequeña, así que no estorba apenas a la formación de esos enlaces de hidrógeno.

Como las interacciones soluto-disolvente son comparables a las que se rompen, el propan-2-ol es muy soluble en agua (de hecho, miscible en cualquier proporción): «lo semejante disuelve a lo semejante». En alcoholes de cadena larga la parte apolar domina y la solubilidad baja mucho.

Consejo

En a) no te quedes en « $sp^3$ »: piden también cuántos orbitales y cuántos electrones hay en cada uno. Cuenta los electrones de valencia del átomo central (5 en el N) y repártelos: el par solitario ocupa un híbrido entero.

En b) el error típico es decir «apolar» por confundir la molécula con el $\text{BF}_3$ (plana, sin par solitario). Con un par solitario en el átomo central la geometría es piramidal y la molécula, polar.