Ejercicio resuelto de Enlace químico · Química · 2021

B.1 Responda las siguientes cuestiones:

a) (0,75 puntos) Justifique si la molécula $\mathrm{NH_3}$ es polar utilizando la teoría de hibridación y su geometría.
b) (0,75 puntos) Explique si los siguientes compuestos presentan enlace de hidrógeno: $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{CH_4}$ y $\mathrm{HCl}$.
c) (0,5 puntos) Justifique por qué el bromuro de sodio tiene un punto de fusión menor que el cloruro de sodio.

$\textbf{a) Justifique si la molécula NH}_3\textbf{ es polar utilizando la teoría de hibridación y su geometría. (0{,}75 puntos)}$

El nitrógeno tiene 5 electrones de valencia; emplea 3 en los enlaces con los hidrógenos y le queda $\textbf{un par no enlazante}$. Son cuatro zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central, luego la hibridación es $sp^3$ y los cuatro orbitales híbridos se dirigen hacia los vértices de un tetraedro.

Tres de esos orbitales alojan los pares de enlace y el cuarto, el par libre. Como la geometría molecular solo atiende a dónde están los átomos, resulta una $\textbf{pirámide trigonal}$, con ángulos de unos 107°, algo menores de 109,5° porque el par libre ocupa más espacio y comprime los enlaces.

Con eso ya se decide la polaridad. Los enlaces N–H son polares, porque el nitrógeno es bastante más electronegativo que el hidrógeno. Y la forma piramidal impide que se cancelen: los tres momentos dipolares apuntan hacia el mismo hemisferio y se suman, y el par no enlazante contribuye además en ese mismo sentido.

La molécula de $\mathrm{NH_3}$ es, por tanto, $\textbf{polar}$, con un momento dipolar dirigido hacia el nitrógeno. La comparación con el $\mathrm{CH_4}$ es lo que da sentido al apartado: allí también hay hibridación $sp^3$, pero al no haber par libre la geometría es tetraédrica y perfectamente simétrica, y la molécula resulta apolar.

$\textbf{b) Explique si los siguientes compuestos presentan enlace de hidrógeno: H}_2\textbf{O, CH}_4\textbf{ y HCl. (0{,}75 puntos)}$

Para que haya enlace de hidrógeno hacen falta tres condiciones a la vez: un hidrógeno unido directamente a un átomo muy electronegativo, que ese átomo sea además pequeño, y que disponga de un par no enlazante con el que aceptar el enlace de otra molécula. En la práctica solo lo cumplen el flúor, el oxígeno y el nitrógeno.

$\mathrm{H_2O}$: $\textbf{sí}$. Sus hidrógenos están unidos a un oxígeno, pequeño y muy electronegativo, que además conserva dos pares no enlazantes. Cada molécula puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno, y de ahí sus propiedades anómalas: alto punto de ebullición, elevado calor específico o que el hielo flote.

$\mathrm{CH_4}$: $\textbf{no}$. Sus hidrógenos están unidos al carbono, cuya electronegatividad es muy parecida a la del hidrógeno, así que los enlaces son prácticamente apolares. Solo presenta fuerzas de dispersión de London.

$\mathrm{HCl}$: $\textbf{no}$. El enlace sí es polar, pero el cloro, aunque electronegativo, es un átomo grande y su carga queda muy dispersa. Presenta fuerzas dipolo-dipolo, más intensas que las del metano pero mucho menores que un enlace de hidrógeno.

$\textbf{c) Justifique por qué el bromuro de sodio tiene un punto de fusión menor que el cloruro de sodio. (0{,}5 puntos)}$

Los dos son sólidos iónicos y fundirlos exige vencer las fuerzas electrostáticas de su red, es decir, aportar la energía reticular. Cuanto mayor sea esa energía, mayor será el punto de fusión.

$|U| \propto \frac{|z_+ \cdot z_-|}{r_+ + r_-}$

Los dos compuestos tienen las mismas cargas ($+1$ y $-1$) y comparten catión, así que el único factor que los distingue es el tamaño del anión. Cloruro y bromuro están en el mismo grupo, y el radio crece al bajar en él porque se van añadiendo capas:

$r(\mathrm{Cl^-}) < r(\mathrm{Br^-})$

Al ser el cloruro más pequeño, la distancia entre los centros de los iones es menor en el NaCl, la atracción electrostática es más intensa y la energía reticular, mayor. Por eso el bromuro de sodio funde a menor temperatura.