QuímicaFácilCuestión · 2,5 pts

Enlace químico y geometría molecular

También trata: Fuerzas intermoleculares y propiedades

Castilla-La Mancha · 2025 · Julio

Enunciado

Considerando la molécula de tetrafluoruro de carbono,

\text{CF}_4

:

a) (1 punto) Justifique el tipo de hibridación que presenta el átomo de carbono.

b) (1 punto) Justifique la polaridad de los enlaces y de la molécula.

c) (0,5 puntos) Razone si es soluble en agua.

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Resultado

a) $sp^3$ : cuatro pares enlazantes y ninguno libre en el C, geometría tetraédrica ( $109{,}5^\circ$ ).
b) Enlaces C–F polares (F más electronegativo); molécula apolar: los cuatro dipolos se anulan por simetría.
c) Insoluble (muy poco soluble) en agua: es apolar y el agua es polar con enlaces de hidrógeno.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Todo sale de dibujar bien la molécula:

Estructura de Lewis: el carbono, en el centro, forma cuatro enlaces sencillos con cuatro flúor y no le quedan pares libres.
TRPECV: cuatro pares enlazantes alrededor del C se colocan lo más lejos posible, en los vértices de un tetraedro; cuatro direcciones equivalentes piden una hibridación $sp^3$ .
Polaridad: cada enlace C–F es polar porque el flúor es mucho más electronegativo que el carbono; pero en un tetraedro regular los cuatro momentos dipolares se anulan.
Solubilidad: «lo semejante disuelve a lo semejante»: una molécula apolar no se mezcla bien con un disolvente tan polar como el agua.

Desarrollo

a) Hibridación del carbono.

Configuración del carbono (

Z = 6

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

. Tiene 4 electrones de valencia y necesita formar cuatro enlaces iguales con los cuatro átomos de flúor (cada F,

2s^2\,2p^5

, aporta un electrón desapareado).

La estructura de Lewis es un C central unido por cuatro enlaces sencillos a cuatro F, cada uno con tres pares libres; el C no tiene pares solitarios:

\begin{array}{ccc} & \text{F} & \\ & | & \\ \text{F}- & \text{C} & -\text{F} \\ & | & \\ & \text{F} & \end{array}

Según la TRPECV, el C está rodeado de 4 pares de electrones enlazantes (tipo

\text{AX}_4

), que se repelen y se orientan hacia los vértices de un tetraedro regular, con ángulos de

109{,}5^\circ

.

Para formar cuatro enlaces idénticos dirigidos así, el carbono promociona un electrón

2s

2p

(

2s^1\,2p^3

) y combina el orbital $2s$ con los tres $2p$ , formando cuatro orbitales híbridos $sp^3$ equivalentes, dirigidos hacia los vértices del tetraedro. Cada uno se solapa con un orbital

2p

de un flúor y forma un enlace

\sigma

C–F.

Hibridación: $sp^3$ ; geometría tetraédrica, ángulos de $109{,}5^\circ$ .

b) Polaridad de los enlaces y de la molécula.

Enlaces: el flúor es el elemento más electronegativo ( $\approx 4{,}0$ ) y el carbono tiene una electronegatividad bastante menor ( $\approx 2{,}5$ ). Los electrones del enlace están desplazados hacia el flúor: cada enlace C–F es covalente polar, con una carga parcial $\delta^-$ sobre el F y $\delta^+$ sobre el C, y tiene un momento dipolar dirigido hacia el flúor.
Molécula: los cuatro momentos dipolares de enlace son iguales en módulo y están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular. Por simetría, su suma vectorial es cero:

\vec{\mu}_{\text{total}} = \vec{\mu}_1 + \vec{\mu}_2 + \vec{\mu}_3 + \vec{\mu}_4 = \vec{0}

La molécula de

\text{CF}_4

es apolar, aunque sus enlaces sean polares (igual que el

\text{CH}_4

o el

\text{CCl}_4

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

En la simulación se ve el contraste con el

\text{CH}_3\text{Cl}

: con un sustituyente distinto los dipolos ya no se compensan y la molécula es polar.

c) Solubilidad en agua.

El agua es un disolvente muy polar, cuyas moléculas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno. El

\text{CF}_4

es una molécula apolar: entre sus moléculas solo hay fuerzas de dispersión de London, y con el agua solo podría establecer interacciones dipolo-dipolo inducido, muy débiles. Para disolverlo habría que romper enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua sin que se compense con interacciones fuertes soluto-disolvente.

Por la regla de «lo semejante disuelve a lo semejante», el

\text{CF}_4

es prácticamente insoluble en agua (sí se disolvería mejor en disolventes apolares).

Consejo

No confundas la polaridad del enlace con la de la molécula: hay que justificar las dos cosas. Los enlaces son polares por la diferencia de electronegatividad; la molécula es apolar por la geometría. Si no dices que es tetraédrica y simétrica, el apartado b) queda a medias.

En la hibridación, justifica con el número de pares alrededor del átomo central (4 pares y 0 libres → $sp^3$ ); decir solo « $sp^3$ » sin razonar no puntúa entero.