Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2024

Para las moléculas trifluoruro de fósforo [fluoruro de fósforo (III)] y trifluoruro de boro:

a) Escriba sus estructuras de Lewis e indique si hay pares de electrones no compartidos en el átomo central. (0,5 puntos)

b) Razone la geometría de ambas moléculas. (0,5 puntos)

c) Justifique la posible polaridad de ambas. (0,5 puntos)

d) Formule o nombre los siguientes compuestos: (0,5 puntos)

d.1) $\text{KHSO}_4$

d.2) $\text{Na}_2\text{O}_2$

d.3) Ácido fosfórico [trihidrogeno(tetraoxidofosfato)]

d.4) Borano [trihidruro de boro]

d.5) $\text{Hg(OH)}_2$

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{B} = 5$; $\text{F} = 9$; $\text{P} = 15$.

$\textbf{a) Escriba sus estructuras de Lewis e indique si hay pares de electrones no compartidos en el átomo central. (0,5 puntos)}$

Con los números atómicos del enunciado se deducen los electrones de valencia: el boro ($Z = 5$, configuración $1s^2\,2s^2\,2p^1$) tiene 3, el fósforo ($Z = 15$) tiene 5 y el flúor ($Z = 9$) tiene 7.

$\textbf{Trifluoruro de fósforo}$, $\mathrm{PF_3}$: se dispone de $5 + 3 \cdot 7 = 26$ electrones de valencia. El fósforo forma tres enlaces simples, uno con cada flúor, y $\textbf{le sobra un par no enlazante}$; cada flúor conserva tres pares libres. Así completa su octeto.

$\textbf{Trifluoruro de boro}$, $\mathrm{BF_3}$: se dispone de $3 + 3 \cdot 7 = 24$ electrones. El boro emplea sus tres electrones de valencia en los tres enlaces y $\textbf{no le queda ningún par sin compartir}$. Se queda con solo 6 electrones a su alrededor, así que es una de las excepciones clásicas a la regla del octeto: la molécula es deficiente en electrones y por eso se comporta como ácido de Lewis.

$\textbf{b) Razone la geometría de ambas moléculas. (0,5 puntos)}$

Se aplica el modelo de repulsión de los pares de la capa de valencia: todos los pares que rodean al átomo central, enlazantes y no enlazantes, se separan lo máximo posible.

$\mathrm{PF_3}$: cuatro pares en total, tres enlazantes y uno libre. Los pares se orientan hacia los vértices de un tetraedro, pero la geometría $\textbf{molecular}$, que solo atiende a la posición de los átomos, es una $\textbf{pirámide trigonal}$, con el fósforo en el vértice. El par no enlazante ocupa más espacio y comprime el ángulo F–P–F por debajo de los 109,5°.

$\mathrm{BF_3}$: tres pares enlazantes y ninguno libre. Tres direcciones equidistantes en un plano dan una geometría $\textbf{trigonal plana}$, con ángulos F–B–F de 120°.

$\textbf{c) Justifique la posible polaridad de ambas. (0,5 puntos)}$

En las dos moléculas los enlaces son muy polares, porque el flúor es el elemento más electronegativo de todos y atrae con fuerza el par compartido. La diferencia está en la geometría.

$\mathrm{BF_3}$: los tres enlaces son idénticos y están a 120° en un mismo plano, de modo que sus tres momentos dipolares se cancelan exactamente. La molécula es $\textbf{apolar}$.

$\mathrm{PF_3}$: la disposición piramidal rompe la simetría y los tres momentos no se anulan, sino que dan una resultante dirigida desde los flúores hacia el fósforo. A ello se suma el par no enlazante, que constituye por sí mismo una zona de densidad electrónica. La molécula es $\textbf{polar}$.

El par de moléculas es el ejemplo típico: mismos ligandos, enlaces igual de polares, y polaridad molecular opuesta por culpa de la geometría.

$\textbf{d) Formule o nombre los siguientes compuestos: (0,5 puntos)}$

$\textbf{d.1)}$ $\mathrm{KHSO_4}$ — $\textbf{hidrogenosulfato de potasio}$. Sal ácida del ácido sulfúrico, con uno solo de sus dos hidrógenos sustituido.

$\textbf{d.2)}$ $\mathrm{Na_2O_2}$ — $\textbf{peróxido de sodio}$. No es el óxido: contiene el grupo peroxo $\mathrm{O_2^{2-}}$, con el oxígeno actuando con $-1$.

$\textbf{d.3)}$ Ácido fosfórico [trihidrogeno(tetraoxidofosfato)] — $\mathrm{H_3PO_4}$. El fósforo actúa con $+5$; es un ácido triprótico.

$\textbf{d.4)}$ Borano [trihidruro de boro] — $\mathrm{BH_3}$. Es la especie deficiente en electrones que se comentaba en el apartado a).

$\textbf{d.5)}$ $\mathrm{Hg(OH)_2}$ — $\textbf{hidróxido de mercurio(II)}$. Dos hidroxilos exigen que el mercurio actúe con $+2$.