Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2022

El trihidruro de fósforo, $\mathrm{PH_3}$ (también conocido como fosfina), a temperatura ambiente es un gas incoloro que se reconoce fácilmente por el fuerte olor a ajo.

a) Explique la geometría de la molécula de $\mathrm{PH_3}$ según la teoría de la repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (TRPECV).

b) Indique si se trata de una molécula polar o apolar. Justifique la respuesta.

c) Justifique, de forma razonada, por qué el punto de ebullición del amoníaco, $\mathrm{NH_3}$ (−33 °C), es más elevado que el punto de ebullición del $\mathrm{PH_3}$ (−87,7 °C).

d) ¿Cuál es el significado del siguiente pictograma, el cual aparece en la ficha técnica del $\mathrm{PH_3}$?

$\textbf{a) Explique la geometría de la molécula de PH₃ según la teoría de la repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (TRPECV).}$

La TRPECV cuenta todos los pares que rodean al átomo central, enlazantes y no enlazantes, porque todos se repelen y se colocan lo más separados posible.

El fósforo pertenece al grupo 15 y aporta 5 electrones de valencia: emplea tres en formar sendos enlaces simples con los hidrógenos y $\textbf{le sobra un par no enlazante}$. En total, cuatro pares.

Cuatro pares se disponen hacia los vértices de un tetraedro, así que esa es la geometría electrónica. Pero la geometría $\textbf{molecular}$ solo atiende a la posición de los átomos, y como uno de los cuatro vértices lo ocupa el par libre, la molécula resulta una $\textbf{pirámide trigonal}$, con el fósforo en el vértice y los tres hidrógenos en la base.

El ángulo H–P–H es menor que los 109,5° del tetraedro perfecto, porque el par no enlazante ocupa más espacio y comprime los enlaces.

$\textbf{b) Indique si se trata de una molécula polar o apolar. Justifique la respuesta.}$

Es $\textbf{polar}$, aunque poco.

Cada enlace P–H es muy débilmente polar, porque las electronegatividades del fósforo y del hidrógeno son casi iguales (2,2 en ambos casos), de modo que el par compartido apenas se desplaza.

Lo que hace polar a la molécula es sobre todo su $\textbf{geometría}$: al ser piramidal y no plana, ni siquiera unos momentos dipolares pequeños pueden cancelarse, y además el par no enlazante del fósforo aporta su propia contribución al momento dipolar total.

$\vec\mu_{\text{total}} \neq \vec 0$

Es un caso interesante porque su momento dipolar es mucho menor que el del amoníaco, en el que los enlaces N–H sí están claramente polarizados.

$\textbf{c) Justifique, de forma razonada, por qué el punto de ebullición del amoníaco, NH₃ (−33 °C), es más elevado que el punto de ebullición del PH₃ (−87,7 °C).}$

El resultado es contrario a lo que sugeriría la masa molecular, porque la fosfina es bastante más pesada que el amoníaco y, sin embargo, hierve mucho antes.

La explicación está en las fuerzas intermoleculares, que son las que hay que vencer para separar unas moléculas de otras al hervir.

El $\textbf{amoníaco}$ forma $\textbf{enlaces de hidrógeno}$, la más intensa de esas fuerzas. Se cumplen las dos condiciones necesarias: hidrógeno unido directamente a un átomo muy electronegativo y pequeño —el nitrógeno, con 3,0— y un par de electrones no enlazante sobre ese nitrógeno que actúa de aceptor.

La $\textbf{fosfina}$ no puede formarlos. El fósforo tiene una electronegatividad de solo 2,2, prácticamente la misma que el hidrógeno, y un tamaño mucho mayor, de modo que el enlace P–H apenas está polarizado. Entre sus moléculas solo actúan fuerzas dipolo-dipolo muy débiles y dispersión de London.

Por eso separar las moléculas de amoníaco exige bastante más energía y su punto de ebullición es unos 55 °C más alto.

$\textbf{d) ¿Cuál es el significado del siguiente pictograma, el cual aparece en la ficha técnica del PH₃?}$

Es el pictograma GHS02, la llama sobre una línea horizontal. Indica que se trata de una sustancia $\textbf{inflamable}$.

Se aplica a gases, aerosoles, líquidos y sólidos inflamables, y también a las sustancias pirofóricas o que desprenden gases inflamables en contacto con el agua. La fosfina es un gas extremadamente inflamable que, si contiene trazas de difosfano, llega a inflamarse espontáneamente en contacto con el aire.

Obliga a mantenerla alejada de llamas, chispas y superficies calientes, y a manipularla siempre en atmósfera controlada.