Problema resuelto de Química: Enlace químico y geometría molecularSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2025 · Julio (especial)

a) NF₃: estructura de Lewis

Electrones de valencia: N tiene 5 ($2s^2\,2p^3$) y cada F tiene 7 ($2s^2\,2p^5$): $5 + 3\cdot 7 = 26$ electrones, es decir, 13 pares. El nitrógeno va en el centro, unido a cada flúor por un enlace simple (3 pares de enlace). Cada flúor completa su octeto con 3 pares solitarios (9 pares) y queda un par solitario sobre el nitrógeno, que así también tiene su octeto.

NF₃: geometría. El nitrógeno se rodea de 4 pares de electrones (3 de enlace y 1 solitario, tipo $\text{AX}_3\text{E}$), que se orientan hacia los vértices de un tetraedro para repelerse lo menos posible. Como el par solitario no se «ve», la molécula es una pirámide trigonal, con el nitrógeno en el vértice y ángulos F–N–F algo menores de $109{,}5^\circ$ (el par solitario empuja a los de enlace).

F₂CO: estructura de Lewis. Electrones de valencia: C tiene 4, O tiene 6 y cada F 7: $4 + 6 + 2\cdot 7 = 24$ electrones, 12 pares. El carbono, el menos electronegativo, va en el centro. Para que tenga octeto forma un doble enlace con el oxígeno y un enlace simple con cada flúor ($\text{F}_2\text{C}{\mkern2mu=\mkern2mu}\text{O}$). El oxígeno lleva 2 pares solitarios y cada flúor 3; el carbono no tiene pares solitarios.

F₂CO: geometría. El carbono se rodea de 3 dominios de electrones (el doble enlace cuenta como uno), sin pares solitarios: tipo $\text{AX}_3$. Se dirigen a los vértices de un triángulo y la molécula es trigonal plana, con ángulos cercanos a $120^\circ$ (no exactamente iguales, porque el doble enlace repele más).

b) Polaridad del NF₃

El flúor es más electronegativo que el nitrógeno, así que cada enlace N–F es polar, con el polo negativo en el flúor. En una pirámide los tres momentos dipolares apuntan hacia abajo, hacia la base, y no se anulan: el $\text{NF}_3$ es una molécula polar. (Su momento dipolar es pequeño porque el par solitario del nitrógeno apunta en sentido contrario y lo compensa en parte, pero no es nulo.)

Polaridad del F₂CO. Los tres enlaces son polares (el O y los F son más electronegativos que el C), pero no son iguales: el enlace C=O y los enlaces C–F tienen momentos dipolares distintos. En el triángulo no se compensan, y la molécula es polar.

c1) Identificar los elementos$$Z = 17:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5 \quad(\text{cloro, grupo 17})$$$$Z = 20:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2 \quad(\text{calcio, grupo 2})$$Fórmula empírica. Al cloro, con 7 electrones de valencia y una afinidad electrónica alta, le falta uno para el octeto: capta un electrón y forma $\text{Cl}^-$. Al calcio, con 2 electrones de valencia y una energía de ionización baja, le resulta fácil perderlos y quedarse con la configuración del argón: forma $\text{Ca}^{2+}$. Para que el compuesto sea neutro hacen falta dos cloruros por cada calcio:$$\text{CaCl}_2$$Tipo de enlace. Hay transferencia de electrones de un metal (Ca) a un no metal muy electronegativo (Cl): el compuesto está formado por iones $\text{Ca}^{2+}$ y $\text{Cl}^-$ que se atraen electrostáticamente en todas direcciones y forman una red cristalina. Es un enlace iónico; el $\text{CaCl}_2$ es un sólido iónico (la fórmula empírica indica la proporción de iones en la red, no una molécula).

Solubilidad en agua. El agua es un disolvente muy polar: sus moléculas rodean a los iones (los oxígenos se orientan hacia el $\text{Ca}^{2+}$ y los hidrógenos hacia el $\text{Cl}^-$) y las atracciones ion-dipolo compensan la energía de red. Por eso los compuestos iónicos como este suelen ser solubles en agua:$$\text{CaCl}_2(s) \xrightarrow{\;\text{H}_2\text{O}\;} \text{Ca}^{2+}(ac) + 2\,\text{Cl}^-(ac)$$c2) Configuraciones electrónicas

Siguiendo el orden de llenado ($1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p$):$$\text{Al}\ (Z = 13):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$$$$\text{Br}\ (Z = 35):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5$$Ion más estable del aluminio. Tiene 3 electrones de valencia ($3s^2\,3p^1$): los pierde y se queda con la configuración del neón. Forma el ion $\text{Al}^{3+}$:$$\text{Al}^{3+}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6$$Ion más estable del bromo. Es un halógeno, con 7 electrones de valencia ($4s^2\,4p^5$): capta uno y se queda con la configuración del criptón. Forma el ion $\text{Br}^-$:$$\text{Br}^-:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^6$$