QuímicaFácilCuestión · 2 pts

Enlace químico y geometría molecular

Castilla-La Mancha · 2022 · Junio

Enunciado

Considere las moléculas

\text{BF}_3

\text{NH}_3

.

a) (0,5 puntos) Escriba su estructura de Lewis.

b) (0,5 puntos) Indique su geometría molecular utilizando la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia.

c) (0,5 puntos) Indique cuál es la hibridación del átomo central de cada una de ellas.

d) (0,5 puntos) Explique la polaridad de ambas moléculas.

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Resultado

a) $\text{BF}_3$ : B con tres enlaces simples y sin pares solitarios (6 e⁻); $\text{NH}_3$ : N con tres enlaces y un par solitario.
b) $\text{BF}_3$ trigonal plana ( $120^\circ$ ); $\text{NH}_3$ pirámide trigonal ( $\approx 107^\circ$ ).
c) B: $sp^2$ ; N: $sp^3$ .
d) $\text{BF}_3$ apolar (dipolos que se anulan); $\text{NH}_3$ polar.

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Estrategia

Las dos moléculas tienen la misma fórmula tipo

\text{AX}_3

y, sin embargo, son muy distintas. La diferencia está en el átomo central:

El boro (grupo 13) solo tiene 3 electrones de valencia: forma tres enlaces y se queda sin pares solitarios (y con solo 6 electrones, una excepción al octeto).
El nitrógeno (grupo 15) tiene 5: forma tres enlaces y le queda un par solitario.

Ese par solitario lo cambia todo: el número de zonas de densidad electrónica (3 frente a 4), la geometría (plana frente a piramidal), la hibridación (

sp^2

frente a

sp^3

) y la polaridad.

Desarrollo

a) Estructuras de Lewis

$\text{BF}_3$ . Electrones de valencia:

3 + 3 \cdot 7 = 24

(12 pares). El boro va en el centro, unido a cada flúor por un enlace simple; cada flúor completa su octeto con tres pares solitarios:

\begin{array}{c} :\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}}\!-\!\text{B}\!-\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}}\!: \\ | \\ :\!\underset{\cdot\cdot}{\text{F}}\!: \end{array}

El boro queda rodeado de solo 6 electrones: es un caso de octeto incompleto.

$\text{NH}_3$ . Electrones de valencia:

5 + 3 \cdot 1 = 8

(4 pares). Tres pares forman los enlaces

\text{N}\!-\!\text{H}

y el cuarto queda como par solitario sobre el nitrógeno, que cumple el octeto:

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

b) Geometría molecular (TRPECV)

Los pares de electrones de la capa de valencia del átomo central se colocan lo más alejados posible entre sí.

$\text{BF}_3$ : 3 pares enlazantes y ningún par solitario (tipo $\text{AB}_3$ ). Se reparten en un plano a $120^\circ$ : geometría trigonal plana, con ángulos $\text{F}\!-\!\text{B}\!-\!\text{F}$ de $120^\circ$ .
$\text{NH}_3$ : 3 pares enlazantes y 1 par solitario (tipo $\text{AB}_3\text{E}$ ). Los cuatro pares se disponen hacia los vértices de un tetraedro, pero la forma de la molécula solo la dan los átomos: geometría de pirámide trigonal, con el nitrógeno en el vértice. El par solitario repele más que los enlazantes y cierra los ángulos $\text{H}\!-\!\text{N}\!-\!\text{H}$ a unos $107^\circ$ (menos que los $109{,}5^\circ$ del tetraedro).

c) Hibridación del átomo central

La hibridación la marca el número de zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central:

Boro en el $\text{BF}_3$ : 3 zonas → $sp^2$ . Un orbital $2s$ y dos $2p$ forman tres híbridos $sp^2$ en un plano a $120^\circ$ ; el tercer orbital $2p$ queda vacío, perpendicular al plano.
Nitrógeno en el $\text{NH}_3$ : 4 zonas (3 enlaces y 1 par solitario) → $sp^3$ . Cuatro híbridos dirigidos hacia los vértices de un tetraedro: tres solapan con los $1s$ de los hidrógenos y uno aloja el par solitario.

d) Polaridad

$\text{BF}_3$ : apolar. Los enlaces

\text{B}\!-\!\text{F}

son muy polares (el flúor es mucho más electronegativo que el boro), pero los tres momentos dipolares son iguales y están a

120^\circ

en un plano: por simetría se anulan.

\vec{\mu}_{\text{total}} = \vec{\mu}_1 + \vec{\mu}_2 + \vec{\mu}_3 = \vec{0}

$\text{NH}_3$ : polar. Los enlaces

\text{N}\!-\!\text{H}

son polares (el nitrógeno es más electronegativo que el hidrógeno) y la geometría piramidal no es simétrica: los tres momentos se suman a lo largo del eje de la pirámide, y el par solitario refuerza el dipolo. El momento dipolar total es distinto de cero (

\mu \approx 1{,}47

D).

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

Consejo

No confundas la disposición de los pares con la geometría molecular: en el amoniaco los cuatro pares forman un tetraedro, pero la molécula es una pirámide trigonal, porque el par solitario no es un átomo.

Y en la polaridad nombra las dos cosas que se piden: enlaces polares y geometría. Con solo «el F es muy electronegativo» se concluiría, mal, que el $\text{BF}_3$ es polar.