QuímicaMedioCuestión · 2 pts

Enlace químico y geometría molecular

Castilla-La Mancha · 2022 · Julio

Enunciado

Sean las moléculas

\text{CH}_4

\text{CO}_2

\text{NO}_3^-

.

a) (0,5 puntos) Deduzca la estructura de Lewis de cada una de ellas.

b) (0,5 puntos) Describa la geometría de estas moléculas usando la teoría de repulsión de pares de electrones, indicando la hibridación del átomo central.

c) (0,5 puntos) Indique el tipo de enlaces

\sigma

\pi

que se dan en estas moléculas.

d) (0,5 puntos) Comente la polaridad de cada molécula.

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Resultado

\boxed{\begin{array}{l} \text{CH}_4:\ \text{tetraédrica},\ sp^3,\ 4\sigma,\ \text{apolar} \\ \text{CO}_2:\ \text{lineal},\ sp,\ 2\sigma + 2\pi,\ \text{apolar} \\ \text{NO}_3^-:\ \text{triangular plana},\ sp^2,\ 3\sigma + 1\pi,\ \mu = 0 \end{array}}

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Estrategia

Para cada especie: se cuentan los electrones de valencia, se coloca el átomo central (C o N) y se reparten los electrones para que todos cumplan el octeto (el H, el dueto). Con la estructura de Lewis, la TRPECV dice cómo se colocan los pares alrededor del átomo central: lo que cuenta son los dominios (cada enlace, sea simple, doble o triple, y cada par libre cuenta como uno). El número de dominios da la hibridación, cada enlace simple es un

\sigma

y cada enlace múltiple añade enlaces

\pi

. Por último, la polaridad depende de si los momentos dipolares de los enlaces se anulan por simetría.

Desarrollo

a) Estructuras de Lewis.

$\text{CH}_4$ : electrones de valencia $4 + 4\cdot 1 = 8$ (4 pares). El C forma cuatro enlaces simples con los H y no le quedan pares libres:

\begin{array}{c} \text{H} \\ | \\ \text{H}\!-\!\text{C}\!-\!\text{H} \\ | \\ \text{H} \end{array}

$\text{CO}_2$ : $4 + 2\cdot 6 = 16$ electrones (8 pares). Para que C y O completen el octeto, el C forma dos dobles enlaces; cada O conserva dos pares libres:

\ddot{\text{O}}\!=\!\text{C}\!=\!\ddot{\text{O}} \qquad (\text{2 pares libres sobre cada O})

$\text{NO}_3^-$ : $5 + 3\cdot 6 + 1 = 24$ electrones (12 pares). El N se une a los tres O; para que el N tenga octeto, uno de los enlaces es doble. El O del doble enlace lleva 2 pares libres y los otros dos, 3 pares libres y carga formal $-1$ (el N lleva carga formal $+1$ ; en total, $-1$ ):

\left[\begin{array}{c} \ddot{\text{O}} \\ \| \\ {}^{-}\!:\!\ddot{\text{O}}\!-\!\text{N}^{+}\!-\!\ddot{\text{O}}\!:^{-} \end{array}\right]^{-}

El doble enlace puede estar con cualquiera de los tres O: hay tres formas resonantes equivalentes, y en realidad los tres enlaces N–O son iguales (intermedios entre simple y doble).

b) Geometría (TRPECV) e hibridación.

Especie	Dominios del átomo central	Geometría	Ángulo	Hibridación
$\text{CH}_4$	4	Tetraédrica	$109{,}5^\circ$	$sp^3$
$\text{CO}_2$	2	Lineal	$180^\circ$	$sp$
$\text{NO}_3^-$	3	Triangular plana	$120^\circ$	$sp^2$

En ninguno de los tres casos hay pares libres sobre el átomo central, así que la geometría coincide con la distribución de los dominios: los pares se separan lo más posible.

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

c) Enlaces $\sigma$ y $\pi$ . Todo enlace simple es

\sigma

; un doble enlace es un

\sigma

más un

\pi

$\text{CH}_4$ : 4 enlaces $\sigma$ C–H (solapamiento de un híbrido $sp^3$ del C con el orbital $1s$ del H); ningún $\pi$ .
$\text{CO}_2$ : 2 enlaces $\sigma$ (híbridos $sp$ del C con orbitales del O) y 2 enlaces $\pi$ (los dos orbitales $p$ sin hibridar del C, perpendiculares entre sí, con un $p$ de cada O).
$\text{NO}_3^-$ : 3 enlaces $\sigma$ N–O (híbridos $sp^2$ ) y 1 enlace $\pi$ (el orbital $p$ sin hibridar del N), que por la resonancia está deslocalizado sobre los tres oxígenos.

d) Polaridad.

$\text{CH}_4$ : los enlaces C–H son muy poco polares y, además, por la simetría tetraédrica sus momentos dipolares se anulan: apolar.
$\text{CO}_2$ : los enlaces C=O son polares (el O es más electronegativo), pero la molécula es lineal y los dos momentos dipolares, iguales y opuestos, se anulan: apolar.
$\text{NO}_3^-$ : los enlaces N–O son polares, pero en la geometría triangular plana, con los tres enlaces equivalentes por resonancia, los momentos se anulan: momento dipolar nulo. (Es un ion, así que tiene carga neta, pero su distribución de carga es simétrica.)

Consejo

El error típico en el $\text{NO}_3^-$ es olvidar sumar el electrón de la carga negativa (24 electrones, no 23) y no indicar la resonancia: los tres enlaces N–O son iguales.

No confundas enlace polar con molécula polar: el $\text{CO}_2$ tiene enlaces polares y aun así es apolar, porque los momentos dipolares se anulan por la geometría. Justifícalo siempre con ella.