QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Enlace químico y geometría molecular

Andalucía · 2024 · Julio

Enunciado

Bloque B · B3. Dadas las siguientes moléculas

\text{NCl}_3

\text{BCl}_3

:

a) Explique por qué el

\text{NCl}_3

presenta carácter polar y, sin embargo, el

\text{BCl}_3

es apolar.

b) Justifique la solubilidad en agua de ambas sustancias.

c) Indique la hibridación del átomo central en cada una de las moléculas.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) } \text{NCl}_3 \text{ piramidal (par solitario): } \mu \neq 0;\quad \text{BCl}_3 \text{ plana y simétrica: } \mu = 0\;}

\boxed{\;\textbf{b) } \text{NCl}_3 \text{ más soluble (polar)};\ \text{BCl}_3 \text{ apolar, no soluble} \qquad \textbf{c) } sp^3 \text{ y } sp^2\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Es la pareja canónica del bloque de enlace: mismo número de ligandos, polaridad opuesta. Toda la diferencia está en el recuento de electrones de valencia del átomo central.

\text{N (grupo 15)}: 5 - 3 = 2 \;\Rightarrow\; \textbf{1 par solitario}

\text{B (grupo 13)}: 3 - 3 = 0 \;\Rightarrow\; \textbf{ningún par solitario}

Ese par solitario cambia la geometría (de plana a piramidal), la polaridad y la hibridación. Empieza siempre por ahí.

Desarrollo

a) El par solitario del nitrógeno rompe la simetría.

Los enlaces

\text{N–Cl}

\text{B–Cl}

son polares en los dos casos (el cloro es más electronegativo que el nitrógeno y mucho más que el boro). La diferencia está en cómo se colocan.

$\text{BCl}_3$ : tres pares enlazantes y ninguno solitario (

\text{AX}_3

). La geometría es triangular plana, con los tres enlaces a

120^\circ

en un mismo plano. Los tres momentos dipolares tienen igual módulo y se anulan:

\vec\mu_{\text{total}} = \vec\mu_1 + \vec\mu_2 + \vec\mu_3 = \vec 0 \quad\Longrightarrow\quad \textbf{apolar}

$\text{NCl}_3$ : cuatro pares, tres enlazantes y uno solitario (

\text{AX}_3\text{E}

). La geometría es una pirámide trigonal: los tres cloros ya no están en un plano con el nitrógeno, así que sus dipolos no se cancelan, y además el par solitario aporta su propia contribución.

\vec\mu_{\text{total}} \neq \vec 0 \quad\Longrightarrow\quad \textbf{polar}

b) Solubilidad en agua.

El agua es un disolvente muy polar, y rige el criterio de que lo semejante disuelve a lo semejante:

El $\text{NCl}_3$ , al ser polar, puede establecer interacciones dipolo-dipolo con el agua, así que es más afín a ella y cabe esperar que sea más soluble que el $\text{BCl}_3$ . (En la realidad su solubilidad es escasa, porque su polaridad es pequeña, y además se hidroliza poco a poco; lo que se pide aquí es la comparación razonada por polaridad.)
El $\text{BCl}_3$ , apolar, solo podría ofrecer fuerzas de dispersión, insuficientes para compensar la ruptura de los enlaces de hidrógeno del agua: no es soluble por simple disolución. (También reacciona con ella, hidrolizándose a ácido bórico y $\text{HCl}$ , pero eso es una reacción química, no una disolución.)

Ninguna de las dos forma enlaces de hidrógeno con el agua, porque ninguna tiene hidrógenos unidos a F, O o N.

c) Hibridaciones.

\text{N en } \text{NCl}_3: \; \textbf{sp}^3 \qquad (4 \text{ pares} \Rightarrow 4 \text{ orbitales híbridos, disposición tetraédrica})

\text{B en } \text{BCl}_3: \; \textbf{sp}^2 \qquad (3 \text{ pares} \Rightarrow 3 \text{ orbitales híbridos en un plano, a } 120^\circ)

En el nitrógeno, tres de los cuatro orbitales

sp^3

alojan los pares enlazantes y el cuarto, el par solitario. En el boro solo hay tres orbitales híbridos, y le queda un orbital

p

vacío perpendicular al plano: por eso el

\text{BCl}_3

es un buen ácido de Lewis.

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

Consejo

El razonamiento de a) tiene dos pasos y hay que dar los dos: primero, que los enlaces sí son polares en ambas; segundo, que la geometría decide si se cancelan. Quien escribe "el $\text{BCl}_3$ es apolar porque sus enlaces son apolares" pierde el apartado aunque acierte la conclusión.

El origen de todo es el par solitario: menciónalo explícitamente como la causa de que una molécula sea piramidal y la otra plana. Es la frase que la ponencia busca.

En c), la hibridación se deduce del número total de pares (enlazantes más solitarios), no del número de átomos unidos. Cuatro pares dan $sp^3$ aunque solo haya tres ligandos.