QuímicaMedioCuestión · 2 pts

Problema resuelto de Química: Enlace químico y geometría molecularSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2024 · Junio

Enunciado

Considere las siguientes moléculas:

\text{BF}_3

\text{CF}_4

\text{NF}_3

. Responda a las siguientes cuestiones:

a) Dibuje la estructura electrónica de Lewis de cada una de las moléculas y deduzca su geometría. (0,9 puntos)

b) Ordene, justificadamente, las moléculas

\text{BF}_3

\text{CF}_4

\text{NF}_3

por orden creciente de su ángulo de enlace. (0,5 puntos)

c) Discuta la polaridad de los enlaces de las tres moléculas, y deduzca si éstas tienen momento dipolar. (0,6 puntos)

Datos: números atómicos,

Z

: B = 5; C = 6; N = 7; F = 9. Electronegatividades: B = 1,9; C = 2,4; N = 3,0; F = 4,0.

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Resultado

\text{BF}_3

\text{AX}_3

, triangular plana (el B con 6 electrones).

\text{CF}_4

\text{AX}_4

, tetraédrica.

\text{NF}_3

\text{AX}_3\text{E}

, pirámide triangular.

b)

\text{NF}_3\ (<109{,}5^\circ) < \text{CF}_4\ (109{,}5^\circ) < \text{BF}_3\ (120^\circ)

.

c) Los tres tipos de enlace son covalentes polares.

\text{BF}_3

\text{CF}_4

son apolares por su simetría;

\text{NF}_3

es polar.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Las tres moléculas tienen un átomo central del periodo 2 rodeado de flúor, pero el central tiene 3, 4 o 5 electrones de valencia. Eso cambia el número de pares que lo rodean y, con la TRPECV, la geometría: los pares (de enlace y solitarios) se separan lo más posible.

El ángulo depende de cuántos pares hay alrededor del central (tres pares se separan más que cuatro) y de si hay pares solitarios, que repelen más que los de enlace y cierran los ángulos.

Para la polaridad, primero cada enlace (diferencia de electronegatividad) y luego la suma vectorial: en una molécula simétrica los momentos de enlace se anulan.

Desarrollo

a) Electrones de valencia. B (

1s^2\,2s^2\,2p^1

), 3; C (

2s^2\,2p^2

), 4; N (

2s^2\,2p^3

), 5; F (

2s^2\,2p^5

), 7. En las tres moléculas el átomo central forma enlaces simples con los F, y cada F conserva tres pares solitarios.

$\text{BF}_3$ ( $3 + 3\cdot 7 = 24$ electrones): el B forma tres enlaces B–F y se queda sin pares solitarios, con solo seis electrones a su alrededor (es una excepción a la regla del octeto). Tipo $\text{AX}_3$ : los tres pares se orientan a los vértices de un triángulo equilátero, geometría triangular plana.
$\text{CF}_4$ ( $4 + 4\cdot 7 = 32$ electrones): el C forma cuatro enlaces C–F y completa el octeto sin pares solitarios. Tipo $\text{AX}_4$ : geometría tetraédrica.
$\text{NF}_3$ ( $5 + 3\cdot 7 = 26$ electrones): el N forma tres enlaces N–F y le queda un par solitario. Tipo $\text{AX}_3\text{E}$ : los cuatro pares apuntan a los vértices de un tetraedro, pero solo tres tienen átomo: geometría pirámide triangular.

Estructuras de Lewis: BF3 con tres enlaces simples y el boro con solo seis electrones; CF4 con cuatro enlaces simples; NF3 con tres enlaces simples y un par solitario en el nitrógeno; cada flúor con tres pares solitarios

b) Ángulos de enlace.

$\text{BF}_3$ : tres pares alrededor del B, separados $120^\circ$ .
$\text{CF}_4$ : cuatro pares de enlace iguales, separados $109{,}5^\circ$ .
$\text{NF}_3$ : cuatro pares, pero uno es solitario y repele más a los de enlace, que se juntan: el ángulo F–N–F es menor de $109{,}5^\circ$ (unos $102^\circ$ ).

Orden creciente del ángulo:

\text{NF}_3 < \text{CF}_4 < \text{BF}_3

c) Polaridad de los enlaces. El flúor es más electronegativo que el B, el C y el N (

\Delta\chi

= 2,1; 1,6 y 1,0), así que los tres tipos de enlace B–F, C–F y N–F son covalentes polares, con el polo negativo en el flúor.

Momento dipolar de las moléculas.

$\text{BF}_3$ (triangular plana) y $\text{CF}_4$ (tetraédrica) son simétricas: los momentos de sus enlaces, iguales entre sí, se anulan al sumarlos. Son apolares ( $\mu = 0$ ).
$\text{NF}_3$ (piramidal) no es simétrica: los tres momentos N–F apuntan hacia el mismo lado de la base y su suma no se anula. Es polar ( $\mu \neq 0$ ).

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

Consejo

El fallo más frecuente es dar al $\text{NF}_3$ forma triangular plana como al $\text{BF}_3$ porque las dos tienen tres flúor. Cuenta siempre los electrones de valencia del central: el par solitario del nitrógeno es el que la convierte en pirámide y el que la hace polar.

En c) separa las dos ideas, como hacen los criterios (0,3 + 0,3): primero la polaridad de cada enlace y después si los momentos se anulan por la geometría.