Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2022

Para las moléculas $\text{SiF}_4$ y $\text{AsH}_3$:

a) Represente el diagrama de Lewis de las dos moléculas. (0,5 puntos)

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

c) Justifique si son polares o apolares. (0,5 puntos)

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

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

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

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

d.4) Fosfano [trihidruro de fósforo]

d.5) $\text{Au(OH)}_3$

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{Si} = 14$; $\text{F} = 9$; $\text{As} = 33$; $\text{H} = 1$.

$\textbf{a) Represente el diagrama de Lewis de las dos moléculas. (0,5 puntos)}$

De los números atómicos se deducen los electrones de valencia. El silicio ($Z = 14$, configuración $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^2$) tiene 4; el flúor ($Z = 9$), 7; el arsénico ($Z = 33$, que termina en $4s^2\,3d^{10}\,4p^3$), 5; y el hidrógeno, 1.

$\mathrm{SiF_4}$: se dispone de $4 + 4 \cdot 7 = 32$ electrones de valencia. El silicio emplea sus cuatro electrones en formar cuatro enlaces simples, uno con cada flúor, y no le queda ningún par no enlazante; cada flúor conserva tres pares libres.

$\mathrm{AsH_3}$: se dispone de $5 + 3 \cdot 1 = 8$ electrones. El arsénico forma tres enlaces simples con los hidrógenos y $\textbf{le sobra un par no enlazante}$. Es la misma estructura que la del amoniaco.

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

Según 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.

$\mathrm{SiF_4}$: cuatro pares enlazantes y ninguno libre. La geometría electrónica y la molecular coinciden: es $\textbf{tetraédrica}$, con ángulos F–Si–F de 109,5°.

$\mathrm{AsH_3}$: 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 mira dónde están los átomos, es una $\textbf{pirámide trigonal}$, con el arsénico en el vértice. El par no enlazante ocupa más espacio y comprime el ángulo H–As–H por debajo de los 109,5°.

$\textbf{c) Justifique si son polares o apolares. (0,5 puntos)}$

$\mathrm{SiF_4}$: cada enlace Si–F es muy polar, porque el flúor es el elemento más electronegativo y el silicio uno de los menos. Pero los cuatro son idénticos y el tetraedro es perfectamente simétrico, de modo que sus momentos dipolares se cancelan. La molécula es $\textbf{apolar}$.

$\mathrm{AsH_3}$: los enlaces As–H son muy poco polares, porque las electronegatividades del arsénico y del hidrógeno son parecidas. Aun así, la molécula es $\textbf{polar}$: la forma piramidal impide que los tres momentos se anulen, y sobre todo el par no enlazante del arsénico concentra densidad electrónica en el vértice y desplaza el centro de carga negativa. Su momento dipolar es pequeño, pero no nulo.

El contraste entre ambas es lo que interesa: el $\mathrm{SiF_4}$ tiene enlaces muy polares y es apolar, y el $\mathrm{AsH_3}$ los tiene poco polares y es polar. Manda la geometría.

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

$\textbf{d.1)}$ $\mathrm{KHSeO_4}$ — $\textbf{hidrogenoseleniato de potasio}$. Sal ácida del ácido selénico, análogo del sulfúrico, con uno de sus dos hidrógenos sustituido.

$\textbf{d.2)}$ $\mathrm{CaO_2}$ — $\textbf{peróxido de calcio}$. Contiene el grupo peroxo $\mathrm{O_2^{2-}}$, con el oxígeno actuando con $-1$; el óxido normal sería CaO.

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

$\textbf{d.4)}$ Fosfano [trihidruro de fósforo] — $\mathrm{PH_3}$. Es el hidruro del fósforo, análogo al amoniaco y al arsano del apartado a).

$\textbf{d.5)}$ $\mathrm{Au(OH)_3}$ — $\textbf{hidróxido de oro(III)}$. Tres hidroxilos exigen que el oro actúe con $+3$.