QuímicaMedio2 pts

Enlace químico y geometría molecular

También trata: Fuerzas intermoleculares y propiedades
Extremadura · 2023 · Julio
Enunciado
Para las moléculas CF4\text{CF}_4, PCl5\text{PCl}_5, NH3\text{NH}_3 y BeCl2\text{BeCl}_2.

a) (0,5 puntos) Representar las estructuras de Lewis.

b) (0,5 puntos) Deducir la geometría de CF4\text{CF}_4 y NH3\text{NH}_3 según la TRPECV.

c) (0,5 puntos) Razonar la hibridación que presentan las moléculas NH3\text{NH}_3 y BeCl2\text{BeCl}_2.

d) (0,5 puntos) Indicar si alguna molécula presenta enlaces por puentes de hidrógeno. Razonar la respuesta.

Datos: Números atómicos (ZZ): H = 1; Be = 4; C = 6; N = 7; F = 9; P = 15; Cl = 17.
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Resultado
  • a) CF4\text{CF}_4 y NH3\text{NH}_3 (con un par libre en N) cumplen el octeto; PCl5\text{PCl}_5 con 10 e⁻ en P y BeCl2\text{BeCl}_2 con 4 e⁻ en Be.
  • b) CF4\text{CF}_4 tetraédrica; NH3\text{NH}_3 pirámide trigonal.
  • c) N del NH3\text{NH}_3: sp3sp^3; Be del BeCl2\text{BeCl}_2: spsp (lineal).
  • d) Solo el NH3\text{NH}_3 (H unido a N).
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Todo sale de los electrones de valencia de cada átomo, que se leen en su configuración electrónica. Con ellos se dibujan las estructuras de Lewis (fijándose en las dos excepciones al octeto: el berilio se queda corto y el fósforo lo supera). Después, la TRPECV cuenta los pares alrededor del átomo central para dar la geometría, y la hibridación es la que corresponde a esa disposición de pares. Para el enlace de hidrógeno basta con buscar un H unido a F, O o N.
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Desarrollo

Electrones de valencia:
  • H (Z=1)\text{H}\ (Z = 1): 1s11s^1 → 1.
  • Be (Z=4)\text{Be}\ (Z = 4): 1s2 2s21s^2\,2s^2 → 2.
  • C (Z=6)\text{C}\ (Z = 6): 1s2 2s2 2p21s^2\,2s^2\,2p^2 → 4.
  • N (Z=7)\text{N}\ (Z = 7): 1s2 2s2 2p31s^2\,2s^2\,2p^3 → 5.
  • F (Z=9)\text{F}\ (Z = 9): 1s2 2s2 2p51s^2\,2s^2\,2p^5 → 7.
  • P (Z=15)\text{P}\ (Z = 15): [Ne] 3s2 3p3[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^3 → 5.
  • Cl (Z=17)\text{Cl}\ (Z = 17): [Ne] 3s2 3p5[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5 → 7.
a) Estructuras de Lewis.

Tetrafluoruro de carbono, CF4\text{CF}_4: 4+4⋅7=324 + 4\cdot 7 = 32 electrones (16 pares). Cuatro enlaces simples C–F\text{C–F} y tres pares solitarios en cada flúor; todos cumplen el octeto:: ⁣F⋅⋅ ⁣:∣: ⁣F⋅⋅⋅⋅−C−F⋅⋅⋅⋅ ⁣:∣: ⁣F⋅⋅ ⁣:\begin{array}{ccccc} & & :\!\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}\!: & & \\ & & | & & \\ :\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}} & - & \text{C} & - & \underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{F}}}\!: \\ & & | & & \\ & & :\!\underset{\cdot\cdot}{\text{F}}\!: & & \end{array}Pentacloruro de fósforo, PCl5\text{PCl}_5: 5+5⋅7=405 + 5\cdot 7 = 40 electrones (20 pares). Cinco enlaces simples P–Cl\text{P–Cl} y tres pares solitarios en cada cloro:: ⁣Cl⋅⋅ ⁣:∣: ⁣Cl⋅⋅⋅⋅−P−Cl⋅⋅⋅⋅ ⁣:╱╲: ⁣Cl⋅⋅⋅⋅ ⁣:: ⁣Cl⋅⋅⋅⋅ ⁣:\begin{array}{ccccc} & & :\!\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}\!: & & \\ & & | & & \\ :\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}} & - & \text{P} & - & \underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}}\!: \\ & \diagup & & \diagdown & \\ :\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}}\!: & & & & :\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}}\!: \end{array}El fósforo queda rodeado de 10 electrones: es una excepción a la regla del octeto (octeto expandido), posible porque el P, del tercer periodo, dispone de orbitales 3d3d vacíos.

Amoniaco, NH3\text{NH}_3: 5+3⋅1=85 + 3\cdot 1 = 8 electrones (4 pares). Tres enlaces N–H\text{N–H} y un par solitario en el nitrógeno:H−N⋅⋅−H∣H\begin{array}{ccccc} \text{H} & - & \overset{\cdot\cdot}{\text{N}} & - & \text{H} \\ & & | & & \\ & & \text{H} & & \end{array}Dicloruro de berilio, BeCl2\text{BeCl}_2: 2+2⋅7=162 + 2\cdot 7 = 16 electrones (8 pares). Dos enlaces simples Be–Cl\text{Be–Cl} y tres pares solitarios en cada cloro:: ⁣Cl⋅⋅⋅⋅−Be−Cl⋅⋅⋅⋅ ⁣::\!\underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}} - \text{Be} - \underset{\cdot\cdot}{\overset{\cdot\cdot}{\text{Cl}}}\!:El berilio solo tiene 4 electrones a su alrededor: octeto incompleto.

b) Geometría de CF4\text{CF}_4 y NH3\text{NH}_3 (TRPECV).

Los pares de electrones alrededor del átomo central se colocan lo más alejados posible; la geometría de la molécula se describe después mirando solo los átomos.
MoléculaPares enlazantesPares libresTipoDisposición de los paresGeometría
CF4\text{CF}_440AB4\text{AB}_4TetraédricaTetraédrica, 109,5∘109{,}5^\circ
NH3\text{NH}_331AB3E\text{AB}_3\text{E}TetraédricaPirámide trigonal, ≈107∘\approx 107^\circ
  • En el CF4\text{CF}_4 los cuatro pares son enlazantes e iguales: los flúor ocupan los vértices de un tetraedro regular con el carbono en el centro.
  • En el NH3\text{NH}_3 los cuatro pares también apuntan a los vértices de un tetraedro, pero uno es un par solitario, que no se «ve»: los tres H forman la base y el N el vértice de una pirámide trigonal. El par libre repele más que los enlazantes y cierra el ángulo H–N–H\text{H–N–H} por debajo de 109,5∘109{,}5^\circ.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
c) Hibridación de NH3\text{NH}_3 y BeCl2\text{BeCl}_2.
  • NH3\text{NH}_3: el nitrógeno tiene cuatro pares a su alrededor (tres enlazantes y uno libre) dispuestos tetraédricamente. Combina su orbital 2s2s con los tres 2p2p y forma cuatro híbridos sp3sp^3: tres solapan con los 1s1s de los H (enlaces σ\sigma) y el cuarto aloja el par solitario. Hibridación sp3sp^3.
  • BeCl2\text{BeCl}_2: el berilio (2s22s^2) promociona un electrón al 2p2p (2s1 2p12s^1\,2p^1) y combina el 2s2s con un 2p2p en dos híbridos spsp, a 180∘180^\circ, que solapan con un orbital 3p3p de cada cloro. Con solo dos pares enlazantes y ninguno libre, la molécula es lineal. Hibridación spsp.
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d) Enlaces de hidrógeno.

El enlace (o «puente») de hidrógeno se forma entre moléculas cuando un H está unido a un átomo muy electronegativo y pequeño con pares solitarios (F, O o N): el H queda con una carga parcial positiva grande y es atraído por un par libre del F, O o N de una molécula vecina.
  • NH3\text{NH}_3: tiene H unidos a N, y el N tiene un par solitario. Sí forma enlaces de hidrógeno.
  • CF4\text{CF}_4, PCl5\text{PCl}_5 y BeCl2\text{BeCl}_2: no tienen hidrógeno, así que no pueden formarlos (que el CF4\text{CF}_4 tenga flúor no basta: hace falta un H unido a él).
Solo el NH3\text{NH}_3 presenta enlaces de hidrógeno; por eso su punto de ebullición (−33 ∘C-33\ ^\circ\text{C}) es anormalmente alto para una molécula tan pequeña.
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Consejo

En b) no digas que el NH3\text{NH}_3 es «tetraédrico»: la disposición de los pares lo es, pero la geometría de la molécula, que solo mira los átomos, es una pirámide trigonal.

Y en d) no te dejes engañar por el flúor del CF4\text{CF}_4: para que haya enlace de hidrógeno tiene que haber un H unido directamente a F, O o N.
Paso 1 de 3
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