Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2023

Para las moléculas trifluoruro de nitrógeno y tetrafluoruro de carbono:

a) Dé sus estructuras de Lewis. (0,5 puntos)

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

c) A partir de sus geometrías moleculares, razone cómo será la polaridad de cada una de ellas. (0,5 puntos)

d) Nombre o formule los siguientes compuestos: (0,5 puntos)

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

d.2) ${\text{MgO}}_2$

d.3) ${\text{CaO}}_2$

d.4) Ácido crómico [dihidrogeno(tetraoxidocromato)]

d.5) Hidróxido de níquel (II) [dihidróxido de níquel]

Datos: números atómicos: $\text{C}=6$; $\text{N}=7$; $\text{F}=9$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{D}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{sus}}\mathbf{\text{estructuras}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Lewis.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

De los números atómicos se obtienen los electrones de valencia: el carbono ($Z=6$, configuración $1s^{2}2s^{2}2p^2$) tiene 4, el nitrógeno ($Z=7$) tiene 5 y el flúor ($Z=9$) tiene 7.

$\mathbf{\text{Trifluoruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{nitr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$, $\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$: se dispone de $5+3\cdot 7=26$ electrones de valencia. El nitrógeno forma tres enlaces simples, uno con cada flúor, y le sobra un par no enlazante; cada flúor conserva tres pares libres. Todos los átomos cumplen el octeto.

$\mathbf{\text{Tetrafluoruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{carbono}}$, $\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$: se dispone de $4+4\cdot 7=32$ electrones. El carbono emplea sus cuatro electrones de valencia en cuatro enlaces simples y no le queda ningún par sin compartir; cada flúor conserva tres.

La diferencia entre ambas está, por tanto, en ese par no enlazante del nitrógeno, y de él se deriva todo lo que sigue.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ambas}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{culas.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Según el modelo de repulsión de los pares de la capa de valencia, todos los pares que rodean al átomo central se separan lo máximo posible.

$\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$: cuatro pares en total, tres enlazantes y uno libre. Los pares se orientan hacia los vértices de un tetraedro, pero la geometría $\mathbf{\text{molecular}}$, que solo mira dónde están los átomos, es una $\mathbf{\text{pir}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{mide}}\mathbf{\text{trigonal}}$, con el nitrógeno en el vértice. El par no enlazante ocupa más espacio y comprime el ángulo F–N–F por debajo de los 109,5°.

$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$: cuatro pares enlazantes y ninguno libre. Aquí la geometría electrónica y la molecular coinciden: es $\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}$, con ángulos F–C–F de 109,5°.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{A}}\mathbf{\text{partir}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sus}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{as}}\mathbf{\text{moleculares,}}\mathbf{\text{razone}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{polaridad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ellas.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En ambas los enlaces son muy polares, porque el flúor es el elemento más electronegativo y atrae con fuerza el par compartido. Lo que decide la polaridad de la molécula es si esos momentos dipolares se cancelan.

$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$: los cuatro enlaces son idénticos y el tetraedro es perfectamente simétrico, de modo que la suma vectorial de los cuatro momentos es nula. La molécula es $\mathbf{\text{apolar}}$.

$\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$: la pirámide trigonal no es simétrica, y los tres momentos no se anulan. A ello se suma el par no enlazante del nitrógeno, que constituye por sí mismo una zona de densidad electrónica. La molécula es $\mathbf{\text{polar}}$.

Es el ejemplo clásico: mismos ligandos, enlaces igual de polares y polaridad molecular opuesta, decidida únicamente por la geometría.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Nombre}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{formule}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{compuestos:}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$\mathbf{\text{d.1)}}$ $\mathrm{K}\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ — $\mathbf{\text{hidrogenosulfato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{potasio}}$. Sal ácida del ácido sulfúrico, con uno solo de sus dos hidrógenos sustituido.

$\mathbf{\text{d.2)}}$ $\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{O}}_2$ — $\mathbf{\text{per}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{xido}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{magnesio}}$. Contiene el grupo peroxo ${\mathrm{O}}_2^{2-}$, con el oxígeno actuando con $-1$; el óxido normal sería MgO.

$\mathbf{\text{d.3)}}$ $\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{O}}_2$ — $\mathbf{\text{per}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{xido}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{calcio}}$, por la misma razón que el anterior.

$\mathbf{\text{d.4)}}$ Ácido crómico [dihidrogeno(tetraoxidocromato)] — ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}\mathrm{r}{\mathrm{O}}_4$. El cromo actúa con $+6$.

$\mathbf{\text{d.5)}}$ Hidróxido de níquel (II) [dihidróxido de níquel] — $\mathrm{N}\mathrm{i}(\mathrm{O}\mathrm{H}{)}_2$. Dos hidroxilos compensan la carga $+2$ del níquel.