Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2024

Para las moléculas $\text{H}_2\text{O}$, $\text{BCl}_3$, $\text{HF}$ y $\text{CO}_2$:

a) Represente las estructuras de Lewis. [0,50 puntos]

b) Deduzca la geometría de las cuatro moléculas según la TRPECV. [0,50 puntos]

c) Razone si las moléculas son polares o apolares. [0,50 puntos]

d) Indique si alguna molécula presenta enlaces por puentes de hidrógeno. Razone la respuesta. [0,50 puntos]

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{H} = 1$; $\text{B} = 5$; $\text{C} = 6$; $\text{O} = 8$; $\text{F} = 9$; $\text{Cl} = 17$.

$\textbf{a) Represente las estructuras de Lewis. [0,50 puntos]}$

En cada caso se cuentan los electrones de valencia disponibles y se reparten formando enlaces hasta completar, en lo posible, los octetos.

$\mathrm{H_2O}$: el oxígeno aporta 6 electrones de valencia y cada hidrógeno 1, en total 8. El oxígeno forma dos enlaces simples y le sobran dos pares no enlazantes.



$\mathrm{BCl_3}$: el boro aporta 3 y cada cloro 7, en total 24. El boro forma tres enlaces simples y no le queda ningún par libre; cada cloro conserva tres.



El boro es una excepción clásica a la regla del octeto: se queda rodeado de solo 6 electrones, lo que explica su marcado carácter de ácido de Lewis.

$\mathrm{HF}$: el flúor aporta 7 y el hidrógeno 1, en total 8. Comparten un par y al flúor le quedan tres pares no enlazantes.



$\mathrm{CO_2}$: el carbono aporta 4 y cada oxígeno 6, en total 16. Con enlaces simples el carbono se quedaría en 4 electrones, así que forma un doble enlace con cada oxígeno; a cada uno le quedan dos pares libres.



$\textbf{b) Deduzca la geometría de las cuatro moléculas según la TRPECV. [0,50 puntos]}$

La teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia cuenta las zonas electrónicas que rodean al átomo central —enlazantes y no enlazantes, y un enlace múltiple cuenta como una sola zona— y las coloca lo más separadas posible.

$\mathrm{H_2O}$: cuatro zonas (dos enlaces y dos pares libres). La disposición de los pares es tetraédrica, pero la geometría molecular, que solo mira dónde están los átomos, es $\textbf{angular}$. El ángulo H-O-H es de unos 104,5°, algo menor que los 109,5° del tetraedro porque los dos pares libres ocupan más espacio y comprimen el enlace.

$\mathrm{BCl_3}$: tres zonas, todas enlazantes. Geometría $\textbf{trigonal plana}$, con ángulos Cl-B-Cl de 120°.

$\mathrm{HF}$: al haber solo dos átomos, la molécula es necesariamente $\textbf{lineal}$.

$\mathrm{CO_2}$: dos zonas alrededor del carbono, los dos dobles enlaces, y ningún par libre. Dos zonas se separan al máximo colocándose opuestas: geometría $\textbf{lineal}$, con un ángulo O-C-O de 180°.

$\textbf{c) Razone si las moléculas son polares o apolares. [0,50 puntos]}$

Que una molécula sea polar exige dos cosas: enlaces polares y una geometría que no los cancele. El momento dipolar total es la suma $\textbf{vectorial}$ de los de cada enlace.

$\mathrm{H_2O}$: los enlaces O-H son muy polares y la molécula es angular, así que los dos vectores no se oponen y su suma no se anula. Es $\textbf{polar}$, con un momento dipolar apreciable dirigido hacia el oxígeno.

$\mathrm{BCl_3}$: los enlaces B-Cl son polares, pero los tres son idénticos y están a 120° en un plano. Su suma vectorial es nula: la molécula es $\textbf{apolar}$.

$\mathrm{HF}$: un solo enlace, y muy polar, porque el flúor es el elemento más electronegativo. Al no haber nada que lo compense, la molécula es $\textbf{polar}$.

$\mathrm{CO_2}$: los enlaces C=O son polares, pero la molécula es lineal y simétrica, de modo que los dos momentos son iguales y opuestos y se anulan. Es $\textbf{apolar}$.

El contraste entre el agua y el dióxido de carbono es el sentido del apartado: los dos tienen un átomo central unido a dos átomos más electronegativos, y la diferencia entre ser polar o no la decide únicamente la geometría.

$\textbf{d) Indique si alguna molécula presenta enlaces por puentes de hidrógeno. Razone la respuesta. [0,50 puntos]}$

El enlace de hidrógeno solo aparece cuando un hidrógeno está unido directamente a flúor, oxígeno o nitrógeno. Son los tres elementos pequeños y muy electronegativos, capaces de dejar al hidrógeno tan desprovisto de carga que su núcleo casi desnudo puede atraer un par no enlazante de otra molécula.

Cumplen la condición $\textbf{el agua y el fluoruro de hidrógeno}$:

$\mathrm{H_2O}$: cada molécula puede formar hasta cuatro puentes, dos por sus hidrógenos y dos por los pares libres de su oxígeno. De ahí sus puntos de fusión y ebullición anormalmente altos.

$\mathrm{HF}$: forma puentes, aunque cada molécula solo dispone de un hidrógeno, de modo que se asocia en cadenas y no en una red tridimensional como el agua.

No los presentan el $\mathrm{BCl_3}$ ni el $\mathrm{CO_2}$, que no tienen hidrógeno alguno.