Enlace químico y geometría molecular

a) Estructuras de Lewis.

Eteno, $\text{C}_2\text{H}_4$: $2\cdot 4 + 4\cdot 1 = 12$ electrones de valencia (6 pares). Cuatro pares forman los enlaces C–H y los otros dos, un doble enlace C=C. Cada carbono queda con 4 pares compartidos (octeto):$$\begin{array}{ccc} \text{H} & & \text{H} \\ & \diagdown \qquad \diagup & \\ & \text{C}=\text{C} & \\ & \diagup \qquad \diagdown & \\ \text{H} & & \text{H} \end{array}$$Etino, $\text{C}_2\text{H}_2$: $2\cdot 4 + 2\cdot 1 = 10$ electrones (5 pares). Dos pares para los C–H y tres para un triple enlace C≡C:$$\text{H}-\text{C}\equiv\text{C}-\text{H}$$Metanol, $\text{CH}_3\text{OH}$: $4 + 6 + 4\cdot 1 = 14$ electrones (7 pares). Cinco pares forman los enlaces (3 C–H, C–O y O–H) y los dos restantes quedan como pares solitarios sobre el oxígeno:$$\begin{array}{ccccc} & & \text{H} & & \\ & & | & & \\ \text{H} & - & \text{C} & - & \overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}}-\text{H} \\ & & | & & \\ & & \text{H} & & \end{array}$$En las tres moléculas el carbono comparte 4 pares (octeto completo) y no tiene pares solitarios.

b) Hibridación del carbono y enlaces $\sigma$ y $\pi$.

Eteno: carbono $sp^2$. Cada carbono se une a tres átomos (dos H y el otro C): tres regiones de densidad electrónica. Combina el orbital $2s$ con dos $2p$ y forma tres híbridos $sp^2$, dirigidos a $120^\circ$ en un plano (geometría trigonal plana). Esos tres híbridos forman enlaces $\sigma$ (dos C–H y el C–C). El orbital $2p$ que queda sin hibridar en cada carbono, perpendicular al plano, se solapa lateralmente con el del otro carbono y forma el enlace $\pi$.$$\text{Eteno: } 5\,\sigma\ (4\ \text{C–H} + 1\ \text{C–C}) \ \text{ y } \ 1\,\pi$$Etino: carbono $sp$. Cada carbono se une solo a dos átomos (un H y el otro C): dos regiones. Combina el $2s$ con un $2p$ y forma dos híbridos $sp$ a $180^\circ$ (molécula lineal), que dan los enlaces $\sigma$ C–H y C–C. Los dos orbitales $2p$ sin hibridar de cada carbono, perpendiculares entre sí, forman dos enlaces $\pi$.$$\text{Etino: } 3\,\sigma\ (2\ \text{C–H} + 1\ \text{C–C}) \ \text{ y } \ 2\,\pi$$Metanol: carbono $sp^3$. El carbono se une a cuatro átomos (tres H y el O): cuatro regiones. Combina el $2s$ con los tres $2p$ y forma cuatro híbridos $sp^3$ dirigidos hacia los vértices de un tetraedro (unos $109{,}5^\circ$). Todos sus enlaces son sencillos, es decir, $\sigma$; no queda ningún orbital $p$ libre para formar enlaces $\pi$.$$\text{Metanol: } 5\,\sigma\ (3\ \text{C–H} + 1\ \text{C–O} + 1\ \text{O–H}) \ \text{ y } \ 0\,\pi$$