Enlace químico y geometría molecular

a) Geometría según la TRPECV.

$\text{CH}_3\text{Cl}$. El carbono ($2s^2\,2p^2$, 4 electrones de valencia) forma cuatro enlaces simples: tres con H y uno con Cl. Alrededor del C hay 4 pares enlazantes y ningún par libre (tipo $\text{AB}_4$). Los cuatro pares se alejan al máximo dirigiéndose a los vértices de un tetraedro:$$\text{CH}_3\text{Cl}: \textbf{ geometría tetraédrica}\ (\text{ángulos} \approx 109{,}5^\circ)$$No es un tetraedro perfecto, porque el enlace $\text{C}-\text{Cl}$ es distinto de los $\text{C}-\text{H}$, pero la forma es tetraédrica.

$\text{PF}_3$. El fósforo ($3s^2\,3p^3$, 5 electrones de valencia) forma tres enlaces simples con los tres F y le queda un par de electrones sin compartir. Alrededor del P hay 3 pares enlazantes y 1 par libre (tipo $\text{AB}_3\text{E}$): los cuatro pares se orientan hacia un tetraedro, pero como la geometría la marcan solo los átomos,$$\text{PF}_3: \textbf{ geometría de pirámide trigonal}\ (\text{ángulos algo menores de } 109{,}5^\circ)$$El par libre repele más que los enlazantes y cierra un poco los ángulos $\text{F}-\text{P}-\text{F}$ (unos $98^\circ$).

b) Hibridación del átomo central.

En los dos casos el átomo central tiene cuatro pares de electrones (enlazantes o libres) que se dirigen a los vértices de un tetraedro. Eso exige cuatro orbitales equivalentes:

• C en $\text{CH}_3\text{Cl}$: hibridación $\mathbf{sp^3}$ (cuatro híbridos, los cuatro forman enlace).
• P en $\text{PF}_3$: hibridación $\mathbf{sp^3}$ (tres híbridos forman enlace con los F y el cuarto aloja el par libre).

c) Polaridad del $\text{PF}_3$.

El flúor es mucho más electronegativo que el fósforo, así que cada enlace $\text{P}-\text{F}$ es polar, con la carga parcial negativa sobre el F.

Si la molécula fuera plana (triangular, como el $\text{BF}_3$), los tres momentos dipolares se anularían. Pero es una pirámide trigonal: los tres momentos apuntan "hacia abajo", hacia la base de la pirámide, y su suma no es cero. Además el par libre del fósforo hace la distribución de carga aún más asimétrica.$$\vec\mu_\text{total} \neq 0 \quad\Longrightarrow\quad \textbf{PF}_\textbf{3}\textbf{ es una molécula polar}$$d) Solubilidad del $\text{CH}_3\text{Cl}$ en agua.

El enlace $\text{C}-\text{Cl}$ es polar (el Cl es más electronegativo que el C) y los $\text{C}-\text{H}$ apenas lo son. Como en la geometría tetraédrica un vértice lo ocupa el Cl y los otros tres los H, los momentos dipolares no se anulan: el $\text{CH}_3\text{Cl}$ es una molécula polar.

El agua es un disolvente polar, y "lo semejante disuelve a lo semejante": entre las moléculas de $\text{CH}_3\text{Cl}$ y las de agua se establecen fuerzas dipolo-dipolo, así que el clorometano es soluble en agua.

Su solubilidad es, eso sí, moderada: el $\text{CH}_3\text{Cl}$ no tiene hidrógenos unidos a F, O o N, de modo que no puede formar enlaces de hidrógeno con el agua como sí hacen, por ejemplo, el metanol o el amoníaco, que se disuelven en cualquier proporción.