Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2025

BLOQUE B (Consta de dos problemas, debes responder a 1 de ellos)
B1. Considerar las siguientes sustancias: $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{H_2S}$, $\mathrm{NCl_3}$ y $\mathrm{BCl_3}$.

a) Dibujar las estructuras de Lewis de las cuatro moléculas y determinar su geometría a partir de la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (TRPECP). (1,00)
b) Razonar qué molécula muestra un ángulo de enlace mayor. (0,50)
c) Indicar la hibridación del átomo central en cada caso. (0,50)
d) Justificar entre las dos primeras sustancias cuál presentará un punto de ebullición más alto. ¿Y entre las dos últimas? (0,50)

$\textbf{a) Dibujar las estructuras de Lewis de las cuatro moléculas y determinar su geometría a partir de la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (TRPECP). (1,00)}$

Para cada molécula se cuentan los electrones de valencia disponibles, se reparten en pares enlazantes y solitarios hasta completar el octeto, y se cuenta cuántos pares rodean al átomo central. Esos pares se separan al máximo en el espacio, y la geometría molecular la definen solo los átomos enlazados.

Molécula	Electrones de valencia	Pares enlazantes	Pares solitarios en el central	Notación	Geometría	Ángulo $\mathrm{H_2O}$	$6+2=8$	2	2	$\mathrm{AX_2E_2}$	angular	$\approx 104{,}5^{\circ}$ $\mathrm{H_2S}$	$6+2=8$	2	2	$\mathrm{AX_2E_2}$	angular	$\approx 92^{\circ}$ $\mathrm{NCl_3}$	$5+21=26$	3	1	$\mathrm{AX_3E}$	pirámide trigonal	$\approx 107^{\circ}$ $\mathrm{BCl_3}$	$3+21=24$	3	0	$\mathrm{AX_3}$	trigonal plana	$120^{\circ}$

En el agua y en el sulfuro de hidrógeno el átomo central queda rodeado de cuatro pares, dos enlazantes y dos solitarios, y la disposición de partida es tetraédrica; al considerar solo los átomos, la molécula resulta angular.

$\mathrm{H_2O},\ \mathrm{H_2S}:\ \mathrm{AX_2E_2}\Rightarrow \text{disposición tetraédrica}\Rightarrow \text{geometría angular}$



En el tricloruro de nitrógeno el nitrógeno tiene tres enlaces y un par solitario, cuatro pares en total, y la geometría es de pirámide trigonal. El tricloruro de boro es el caso singular: el boro solo aporta tres electrones de valencia, forma tres enlaces y se queda sin par solitario, con un sexteto en vez de un octeto.

$\mathrm{NCl_3}:\ \mathrm{AX_3E}\Rightarrow \text{pirámide trigonal}$

$\mathrm{BCl_3}:\ \mathrm{AX_3}\Rightarrow \text{trigonal plana, con octeto incompleto en el boro}$



$\textbf{b) Razonar qué molécula muestra un ángulo de enlace mayor. (0,50)}$

El criterio es la capacidad de repulsión de los distintos tipos de pares. Un par solitario está atraído por un solo núcleo, de modo que su nube es más difusa y ocupa más volumen angular que la de un par enlazante, sujeto por dos núcleos. Cada par solitario comprime, por tanto, los ángulos de enlace.

$\text{repulsión: par solitario--par solitario}>\text{solitario--enlazante}>\text{enlazante--enlazante}$

Se ordenan las cuatro moléculas por el número de pares solitarios sobre el átomo central:

$\mathrm{BCl_3}\ (0)\ >\ \mathrm{NCl_3}\ (1)\ >\ \mathrm{H_2O},\ \mathrm{H_2S}\ (2)$

$120^{\circ}\ >\ \approx 107^{\circ}\ >\ \approx 104{,}5^{\circ}\ >\ \approx 92^{\circ}$

El tricloruro de boro es el único sin pares solitarios: sus tres pares enlazantes se reparten el plano en tres partes iguales y el ángulo alcanza el máximo posible para tres enlaces.

La molécula con el ángulo de enlace mayor es el $\mathrm{BCl_3}$, con 120º exactos, precisamente porque el boro no tiene ningún par solitario que comprima los enlaces.

$\textbf{c) Indicar la hibridación del átomo central en cada caso. (0,50)}$

La hibridación se deduce del número total de pares de electrones que rodean al átomo central, contando tanto los enlazantes como los solitarios: cada par necesita un orbital híbrido donde alojarse.

Molécula	Pares alrededor del central	Orbitales híbridos	Hibridación	Disposición $\mathrm{H_2O}$	4	$1\ s+3\ p$	$sp^3$	tetraédrica $\mathrm{H_2S}$	4	$1\ s+3\ p$	$sp^3$	tetraédrica $\mathrm{NCl_3}$	4	$1\ s+3\ p$	$sp^3$	tetraédrica $\mathrm{BCl_3}$	3	$1\ s+2\ p$	$sp^2$	trigonal plana

Los tres primeros átomos centrales están rodeados de cuatro pares y necesitan cuatro orbitales equivalentes, que se obtienen combinando el orbital $s$ con los tres $p$ de la capa de valencia. El boro solo tiene tres pares y le bastan tres híbridos, formados con el $s$ y dos $p$; el tercer orbital $p$ le queda vacío y perpendicular al plano de la molécula.

El átomo central presenta hibridación $sp^3$ en el agua, el sulfuro de hidrógeno y el tricloruro de nitrógeno, y $sp^2$ en el tricloruro de boro.

$\textbf{d) Justificar entre las dos primeras sustancias cuál presentará un punto de ebullición más alto. ¿Y entre las dos últimas? (0,50)}$

Hervir un líquido molecular no exige romper enlaces covalentes, sino separar unas moléculas de otras, así que lo que decide el punto de ebullición son las fuerzas intermoleculares. Se comparan por parejas.

Entre el agua y el sulfuro de hidrógeno, ambos son angulares y polares, pero solo el agua reúne las condiciones del enlace de hidrógeno: hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo y pequeño con pares solitarios disponibles. El azufre es bastante menos electronegativo y mucho más voluminoso, de modo que el sulfuro de hidrógeno se queda en simples atracciones dipolo-dipolo.

$\mathrm{H_2O}:\ \text{enlaces de hidrógeno}\ \gg\ \mathrm{H_2S}:\ \text{dipolo-dipolo}$

Nótese que la tendencia es contraria a la que marcaría la masa molar, mayor en el sulfuro: el enlace de hidrógeno pesa más que ese efecto, y por eso el agua es líquida a temperatura ambiente mientras que el sulfuro de hidrógeno es un gas.

Entre el tricloruro de nitrógeno y el tricloruro de boro, los dos tienen tres átomos de cloro que aportan casi todos los electrones, así que sus fuerzas de dispersión de London son comparables. La diferencia está en la geometría: la pirámide del $\mathrm{NCl_3}$ no es simétrica y los momentos dipolares de enlace no se cancelan, mientras que en el triángulo plano y simétrico del $\mathrm{BCl_3}$ se anulan exactamente.

$\mathrm{NCl_3}:\ \vec\mu_{\text{total}}\neq\vec 0\ \text{(polar)};\qquad \mathrm{BCl_3}:\ \vec\mu_{\text{total}}=\vec 0\ \text{(apolar)}$

De las dos primeras sustancias el punto de ebullición más alto lo tiene el agua, por sus enlaces de hidrógeno. De las dos últimas lo tiene el tricloruro de nitrógeno, porque es polar y suma atracciones dipolo-dipolo a las fuerzas de dispersión, mientras que el tricloruro de boro es apolar y solo dispone de estas últimas.