Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2020

Para los compuestos (A) formaldehído [metanal] y (B) tricloruro de nitrógeno [cloruro de nitrógeno (III)]:

a) Dé las estructuras de Lewis de ambos compuestos. (0,4 puntos)

b) Justifique la geometría de ambas moléculas. (0,6 puntos)

c) Justifique si las moléculas (A) y (B) serán o no polares. (0,5 puntos)

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

d.1) Dihidrogeno(trioxidosulfato) [ácido sulfuroso]

d.2) $\text{NaHCO}_3$

d.3) Pentaóxido de diantimonio [óxido de antimonio (V)]

d.4) $\text{NiH}_3$

d.5) $\text{HBr}$

Datos: números atómicos: $\text{C}\ (Z = 6)$; $\text{O}\ (Z = 8)$; $\text{H}\ (Z = 1)$; $\text{Cl}\ (Z = 17)$; $\text{N}\ (Z = 7)$.

$\textbf{a) Dé las estructuras de Lewis de ambos compuestos. (0,4 puntos)}$

De los números atómicos se deducen los electrones de valencia: el carbono ($Z = 6$) tiene 4, el oxígeno ($Z = 8$) tiene 6, el hidrógeno ($Z = 1$) tiene 1, el nitrógeno ($Z = 7$) tiene 5 y el cloro ($Z = 17$) tiene 7.

$\textbf{Formaldehído}$, $\mathrm{HCHO}$: se dispone de $4 + 2 \cdot 1 + 6 = 12$ electrones de valencia. El carbono forma dos enlaces simples con los hidrógenos y un doble enlace con el oxígeno, con lo que completa su octeto y no le queda ningún par sin compartir; el oxígeno conserva dos pares no enlazantes.

$\mathrm{H_2C{=}O}$

$\textbf{Tricloruro de nitrógeno}$, $\mathrm{NCl_3}$: se dispone de $5 + 3 \cdot 7 = 26$ electrones. El nitrógeno forma tres enlaces simples y $\textbf{le sobra un par no enlazante}$; cada cloro conserva tres pares libres.

$\textbf{b) Justifique la geometría de ambas moléculas. (0,6 puntos)}$

Según el modelo de repulsión de los pares de la capa de valencia, las zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central se separan lo máximo posible; un doble enlace cuenta como una sola zona.

$\mathrm{HCHO}$: tres zonas alrededor del carbono —dos enlaces simples y un doble— y ningún par libre. Tres direcciones se reparten el plano, de modo que la molécula es $\textbf{trigonal plana}$, con ángulos próximos a 120°. El doble enlace, algo más voluminoso, abre ligeramente el ángulo H–C=O y cierra el H–C–H.

$\mathrm{NCl_3}$: cuatro zonas alrededor del nitrógeno, tres enlazantes y una ocupada por el par 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 Cl–N–Cl por debajo de los 109,5°.

$\textbf{c) Justifique si las moléculas (A) y (B) serán o no polares. (0,5 puntos)}$

$\mathrm{HCHO}$: el enlace C=O es muy polar, porque el oxígeno es mucho más electronegativo que el carbono, mientras que los C–H son casi apolares. No hay ningún enlace que compense al carbonilo, así que la resultante apunta hacia el oxígeno y no se anula: la molécula es $\textbf{polar}$.

$\mathrm{NCl_3}$: aquí los enlaces N–Cl son prácticamente apolares, porque el nitrógeno y el cloro tienen electronegatividades muy parecidas. Aun así, la molécula es $\textbf{polar}$, si bien débilmente: la geometría piramidal impide la cancelación y sobre todo el par no enlazante del nitrógeno concentra densidad electrónica en el vértice de la pirámide.

El contraste entre ambas es instructivo: la primera es polar por sus enlaces y la segunda, casi solo por su par no enlazante.

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

$\textbf{d.1)}$ Dihidrogeno(trioxidosulfato) [ácido sulfuroso] — $\mathrm{H_2SO_3}$. El azufre actúa con $+4$.

$\textbf{d.2)}$ $\mathrm{NaHCO_3}$ — $\textbf{hidrogenocarbonato de sodio}$, conocido como bicarbonato de sodio.

$\textbf{d.3)}$ Pentaóxido de diantimonio [óxido de antimonio (V)] — $\mathrm{Sb_2O_5}$. El antimonio actúa con $+5$.

$\textbf{d.4)}$ $\mathrm{NiH_3}$ — $\textbf{hidruro de níquel(III)}$, o trihidruro de níquel. El hidrógeno, frente a un metal, actúa con $-1$.

$\textbf{d.5)}$ $\mathrm{HBr}$ — $\textbf{bromuro de hidrógeno}$; en disolución acuosa se denomina ácido bromhídrico.