QuímicaFácilProblema · 2,5 pts

Problema resuelto de Química: Enlace químico y geometría molecularSelectividad (PAU) · País Vasco 2025 · Junio

También trata: Fuerzas intermoleculares y propiedades
País Vasco · 2025 · Junio
Enunciado
Considerar las siguientes sustancias: NaBr, H2O\text{H}_2\text{O}, CH4\text{CH}_4, Ag, C (diamante).

a) Clasificarlas de acuerdo con el tipo de enlace: metálico, iónico, molécula covalente o red covalente. (0,5 puntos)

b) Para las especies moleculares, dibujar las estructuras de Lewis e indicar la geometría molecular empleando la Teoría de Repulsión de los Pares de Electrones de la Capa de Valencia (TRPECV). Razonar cuál de las dos especies presenta un punto de ebullición más alto. (1,5 puntos)

c) Elegir de forma razonada un compuesto para: i) fabricar un cable que conduzca la electricidad; ii) fabricar herramientas de corte (es la sustancia con mayor dureza y no es soluble en agua). (0,5 puntos)

Datos (de la tabla del examen): números atómicos: H (Z = 1), C (Z = 6), O (Z = 8), Na (Z = 11), Br (Z = 35), Ag (Z = 47).
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Resultado
a) Iónico: NaBr; moléculas covalentes: H2O\text{H}_2\text{O} y CH4\text{CH}_4; metálico: Ag; red covalente: diamante.

b) CH4\text{CH}_4: 4 pares enlazantes, tetraédrica (109,5º), apolar. H2O\text{H}_2\text{O}: 2 pares enlazantes y 2 libres, angular (≈ 104,5º), polar. Hierve a más temperatura el agua, por los enlaces de hidrógeno.

c) i) Plata (enlace metálico, electrones deslocalizados). ii) Diamante (red covalente).
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Estrategia

El tipo de enlace se deduce de qué elementos se unen: metal con no metal da enlace iónico; no metales entre sí, enlace covalente (en moléculas sueltas o en una red gigante, como el diamante); y un metal solo, enlace metálico.

Para las dos moléculas (H2O\text{H}_2\text{O} y CH4\text{CH}_4) se cuentan los electrones de valencia del átomo central, se reparten en pares enlazantes y libres y, con la TRPECV, se deduce la geometría. La polaridad de la molécula decide qué fuerzas intermoleculares hay, y estas el punto de ebullición.

En c) se elige la sustancia cuyas propiedades encajan: conductividad (enlace metálico) y dureza extrema (red covalente).
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Desarrollo

a) Tipo de enlace
SustanciaElementosTipo de enlace
NaBrmetal + no metalIónico (red de iones Na+\text{Na}^+ y Br−\text{Br}^-)
H2O\text{H}_2\text{O}no metal + no metalMolécula covalente
CH4\text{CH}_4no metal + no metalMolécula covalente
AgmetalMetálico
C (diamante)no metalRed covalente (cada C unido a otros cuatro)
b) Estructura de Lewis del metano

C: 1s2 2s2 2p21s^2\,2s^2\,2p^2, con 4 electrones de valencia; cada H aporta 1. El carbono comparte sus cuatro electrones con cuatro hidrógenos: en la estructura de Lewis, el C está en el centro con cuatro enlaces sencillos C–H (cuatro pares enlazantes) y ningún par libre; así completa el octeto, y cada H tiene su par.

Geometría del metano. Cuatro pares de electrones alrededor del C, todos enlazantes (AX4\text{AX}_4): se colocan lo más lejos posible, hacia los vértices de un tetraedro. Geometría tetraédrica, con ángulos de 109,5º. Los cuatro momentos dipolares C–H (pequeños) se anulan por simetría: la molécula es apolar.

Estructura de Lewis del agua. O: 1s2 2s2 2p41s^2\,2s^2\,2p^4, con 6 electrones de valencia. Comparte dos de ellos con dos hidrógenos: el O está en el centro con dos enlaces sencillos O–H (dos pares enlazantes) y dos pares de electrones libres.

Geometría del agua. Cuatro pares alrededor del O (AX2E2\text{AX}_2\text{E}_2): se disponen en tetraedro, pero la geometría de la molécula la dan solo los átomos, así que es angular. Los pares libres repelen más que los enlazantes y cierran el ángulo H–O–H hasta unos 104,5º. Los enlaces O–H son muy polares y, en una molécula angular, sus momentos dipolares no se anulan: el agua es polar.

Punto de ebullición. Las dos moléculas tienen masas parecidas (16 y 18 g/mol), así que la diferencia viene de las fuerzas intermoleculares:
  • Entre moléculas de CH4\text{CH}_4 (apolar) solo hay fuerzas de dispersión de London, muy débiles.
  • Entre moléculas de H2O\text{H}_2\text{O} hay enlaces de hidrógeno: el H unido a un átomo muy electronegativo y pequeño (O) es atraído por un par libre del O de otra molécula. Son mucho más fuertes que las de London.
Por tanto, el agua tiene el punto de ebullición más alto (100 ºC frente a −162 ºC del metano): el agua es líquida a temperatura ambiente y el metano, gas.

c) Elección de materiales

i) Cable conductor: plata (Ag). En el enlace metálico los electrones de valencia están deslocalizados en una «nube» que se mueve por toda la red de cationes; al aplicar una diferencia de potencial se desplazan con facilidad, y el metal conduce la corriente. Además, los metales son dúctiles y se pueden estirar en hilos.

ii) Herramientas de corte: diamante (C). Es una red covalente tridimensional en la que cada átomo de C está unido a otros cuatro por enlaces covalentes fuertes y dirigidos: para rayarlo o romperlo hay que romper muchos de esos enlaces, de ahí su dureza extrema. Tampoco se disuelve en agua: no hay iones ni moléculas que el agua pueda solvatar, y sus enlaces covalentes son demasiado fuertes.
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Consejo

En la TRPECV distingue la disposición de los pares (en el agua, tetraédrica) de la geometría de la molécula (angular): confundirlas es el error más común. Y al comparar puntos de ebullición nombra la fuerza intermolecular concreta (enlace de hidrógeno frente a London), no basta con decir que una molécula es polar.
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