Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2021

Dadas las siguientes moléculas: triclorometano y trifluoruro de nitrógeno [fluoruro de nitrógeno (III)]:

a) Escriba las estructuras de Lewis de cada una de ellas, indicando si el átomo central posee pares de electrones no compartidos. (0,5 puntos)

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

c) Razone si las moléculas son polares o apolares. (0,5 puntos)

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

d.1) $\text{Na}_2\text{HPO}_4$

d.2) Ácido carbónico [dihidrogeno(trioxidocarbonato)]

d.3) Sulfuro de hierro (II) [sulfuro de hierro]

d.4) $\text{Au(OH)}_3$

d.5) $\text{SnCl}_2$

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{C} = 6$; $\text{Cl} = 17$; $\text{H} = 1$; $\text{F} = 9$; $\text{N} = 7$.

$\textbf{a) Escriba las estructuras de Lewis de cada una de ellas, indicando si el átomo central posee pares de electrones no compartidos. (0,5 puntos)}$

De los números atómicos se deducen los electrones de valencia: el carbono ($Z = 6$) tiene 4, el cloro ($Z = 17$) tiene 7, el hidrógeno ($Z = 1$) tiene 1, el nitrógeno ($Z = 7$) tiene 5 y el flúor ($Z = 9$) tiene 7.

$\textbf{Triclorometano}$, $\mathrm{CHCl_3}$: se dispone de $4 + 1 + 3 \cdot 7 = 26$ electrones de valencia. El carbono emplea sus cuatro electrones en cuatro enlaces simples, uno con el hidrógeno y tres con los cloros, y $\textbf{no le queda ningún par sin compartir}$; cada cloro conserva tres pares libres.

$\textbf{Trifluoruro de nitrógeno}$, $\mathrm{NF_3}$: se dispone de $5 + 3 \cdot 7 = 26$ electrones. El nitrógeno forma tres enlaces simples y $\textbf{le sobra un par no enlazante}$; cada flúor conserva tres.

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

Según el modelo de repulsión de los pares de la capa de valencia, todos los pares que rodean al átomo central se separan lo máximo posible. En los dos casos hay cuatro pares, pero de distinta clase.

$\mathrm{CHCl_3}$: cuatro pares enlazantes y ninguno libre. La geometría es $\textbf{tetraédrica}$, con ángulos próximos a 109,5°, aunque no exactamente iguales, porque los sustituyentes no son todos del mismo tamaño.

$\mathrm{NF_3}$: tres pares enlazantes y uno libre. La disposición de los pares es tetraédrica, pero la geometría $\textbf{molecular}$, que solo mira dónde están los átomos, es una $\textbf{pirámide trigonal}$. El par no enlazante ocupa más espacio y comprime el ángulo F–N–F por debajo de los 109,5°.

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

$\mathrm{CHCl_3}$: la geometría es tetraédrica, pero eso no basta para que la molécula sea apolar, porque la cancelación solo se produce si los cuatro sustituyentes son iguales. Aquí hay tres cloros y un hidrógeno, y los enlaces C–Cl son mucho más polares que el C–H, de modo que la resultante apunta hacia el lado de los cloros. La molécula es $\textbf{polar}$.

$\mathrm{NF_3}$: los enlaces N–F son muy polares y la pirámide trigonal no es simétrica, así que los tres momentos no se anulan. La molécula es también $\textbf{polar}$, aunque con un momento dipolar sorprendentemente pequeño, porque el par no enlazante del nitrógeno apunta en sentido contrario al de los enlaces y compensa buena parte de la resultante.

La comparación con el $\mathrm{CCl_4}$ ayuda a entender el primer caso: mismo tetraedro y enlaces igual de polares, pero al ser los cuatro sustituyentes idénticos aquella molécula sí es apolar.

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

$\textbf{d.1)}$ $\mathrm{Na_2HPO_4}$ — $\textbf{hidrogenofosfato de sodio}$. Sal ácida del ácido fosfórico con dos de sus tres hidrógenos sustituidos.

$\textbf{d.2)}$ Ácido carbónico [dihidrogeno(trioxidocarbonato)] — $\mathrm{H_2CO_3}$. El carbono actúa con $+4$.

$\textbf{d.3)}$ Sulfuro de hierro (II) [sulfuro de hierro] — $\mathrm{FeS}$. El hierro actúa con $+2$ y el azufre con $-2$, así que se combinan uno a uno.

$\textbf{d.4)}$ $\mathrm{Au(OH)_3}$ — $\textbf{hidróxido de oro(III)}$. Tres hidroxilos exigen que el oro actúe con $+3$.

$\textbf{d.5)}$ $\mathrm{SnCl_2}$ — $\textbf{cloruro de estaño(II)}$, o dicloruro de estaño.