Ejercicio resuelto de Enlace químico · Química · 2023

Dadas las moléculas siguientes:

$\mathrm{CF_4},\ \mathrm{LiF},\ \mathrm{F_2}\ \text{y}\ \mathrm{HF}$

Conteste:

a) ¿Qué tipo de hibridación presenta el átomo de carbono en la molécula de $\mathrm{CF_4}$? Justifique la respuesta.

b) ¿Se puede afirmar que la molécula de $\mathrm{F_2}$ es muy soluble en agua? Justifique la respuesta.

c) ¿Cuál es el único compuesto que presenta enlaces iónicos? Razone la respuesta.

d) Comparando las moléculas $\mathrm{F_2}$ y HF, indique de manera razonada cuál presentará un punto de ebullición más elevado.

$\textbf{a) ¿Qué tipo de hibridación presenta el átomo de carbono en la molécula de CF₄? Justifique la respuesta.}$

La hibridación se deduce del número de zonas electrónicas que rodean al átomo central, porque hacen falta tantos orbitales híbridos como direcciones haya que atender.

El carbono aporta 4 electrones de valencia y los emplea los cuatro en formar sendos enlaces simples con los flúores, sin que le quede ningún par no enlazante. Son, por tanto, cuatro zonas.

Para orientar cuatro enlaces equivalentes se combinan el orbital $2s$ y los tres $2p$:

$\text{hibridación } sp^3$

Los cuatro híbridos $sp^3$ resultantes apuntan hacia los vértices de un tetraedro, separados 109,5°, que es exactamente la geometría que predice la TRPECV para cuatro pares enlazantes.

$\textbf{b) ¿Se puede afirmar que la molécula de F₂ es muy soluble en agua? Justifique la respuesta.}$

No. La regla práctica es que «lo semejante disuelve a lo semejante»: un disolvente polar disuelve bien solutos polares o iónicos, y mal los apolares.

El $\mathrm{F_2}$ es una molécula diatómica homonuclear: los dos átomos son idénticos, comparten el par de electrones por igual y no hay momento dipolar. Es una molécula $\textbf{apolar}$, que además no tiene ningún hidrógeno con el que formar enlaces de hidrógeno con el agua.

El agua, en cambio, es muy polar y sus moléculas están fuertemente unidas entre sí por enlaces de hidrógeno. Disolver el $\mathrm{F_2}$ exigiría romper esa red y sustituirla por interacciones mucho más débiles, de tipo dipolo-dipolo inducido, energéticamente poco favorables.

Por tanto el $\mathrm{F_2}$ es poco soluble en agua. (Otra cosa es que reaccione con ella, cosa que hace con violencia por ser un oxidante extremo, pero eso ya no es disolverse.)

$\textbf{c) ¿Cuál es el único compuesto que presenta enlaces iónicos? Razone la respuesta.}$

El $\textbf{LiF}$.

El enlace iónico aparece cuando la diferencia de electronegatividad entre los dos elementos es tan grande que uno cede electrones al otro en lugar de compartirlos, y eso ocurre típicamente entre un metal y un no metal.

El litio es un metal alcalino, muy poco electronegativo (1,0), y el flúor es el elemento más electronegativo de todos (4,0). La diferencia es enorme, de modo que el litio cede su electrón de valencia y se forman iones $\mathrm{Li^+}$ y $\mathrm{F^-}$, que se ordenan en una red cristalina.

Los otros tres son covalentes: en el $\mathrm{CF_4}$ y en el HF se unen dos no metales, y en el $\mathrm{F_2}$ dos átomos idénticos.

$\textbf{d) Comparando las moléculas F₂ y HF, indique de manera razonada cuál presentará un punto de ebullición más elevado.}$

El $\textbf{HF}$, y con una diferencia muy grande.

El punto de ebullición mide la energía que hay que aportar para separar las moléculas entre sí, no para romper los enlaces internos, así que lo que decide son las fuerzas intermoleculares.

Entre moléculas de $\mathrm{F_2}$, apolares, solo actúan fuerzas de dispersión de London, y además débiles, porque la molécula es pequeña y poco polarizable.

El HF, en cambio, cumple las dos condiciones del enlace de hidrógeno: tiene hidrógeno unido directamente al flúor, el átomo más electronegativo, y ese flúor conserva pares de electrones no enlazantes. Se forma así una red de enlaces de hidrógeno, la más intensa de las fuerzas intermoleculares.

$T_{eb}(\mathrm{HF}) \gg T_{eb}(\mathrm{F_2})$

En efecto, el fluoruro de hidrógeno hierve a 20 °C y el flúor a $-188$ °C, pese a tener masas moleculares del mismo orden.