Ejercicio resuelto de Estructura de Lewis · Química · 2023

Para las moléculas $\text{CF}_4$, $\text{PCl}_5$, $\text{NH}_3$ y $\text{BeCl}_2$:

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

b) Deduzca la geometría de $\text{CF}_4$ y $\text{NH}_3$ según la TRPECV. [0,50 puntos]

c) Razone la hibridación que presentan las moléculas $\text{NH}_3$ y $\text{BeCl}_2$. [0,50 puntos]

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

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{H} = 1$; $\text{Be} = 4$; $\text{C} = 6$; $\text{N} = 7$; $\text{F} = 9$; $\text{P} = 15$; $\text{Cl} = 17$.

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

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

$\mathrm{CF_4}$: el carbono aporta 4 electrones de valencia y cada flúor 7, en total 32. El carbono forma cuatro enlaces simples y no le queda ningún par libre; cada flúor conserva tres.



$\mathrm{PCl_5}$: el fósforo aporta 5 y cada cloro 7, en total 40. El fósforo forma cinco enlaces simples y queda rodeado de 10 electrones.



Es un caso de octeto expandido, posible porque el fósforo pertenece al tercer periodo y dispone de orbitales $3d$ vacíos. Un elemento del segundo periodo, como el nitrógeno, no puede formar $\mathrm{NCl_5}$ por esa misma razón.

$\mathrm{NH_3}$: el nitrógeno aporta 5 y cada hidrógeno 1, en total 8. El nitrógeno forma tres enlaces simples y le sobra un par no enlazante.



$\mathrm{BeCl_2}$: el berilio aporta 2 y cada cloro 7, en total 16. El berilio forma dos enlaces simples y se queda con solo 4 electrones a su alrededor, otra excepción a la regla del octeto.



$\textbf{b) Deduzca la geometría de CF₄ y NH₃ según la TRPECV. [0,50 puntos]}$

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 las coloca lo más separadas posible.

$\mathrm{CF_4}$: cuatro zonas, todas enlazantes, y ningún par libre. Cuatro zonas se separan al máximo apuntando a los vértices de un tetraedro, así que la geometría electrónica y la molecular coinciden:

$\text{tetraédrica},\quad \text{ángulos F-C-F de } 109{,}5^\circ$

$\mathrm{NH_3}$: cuatro zonas también, pero una de ellas es el par no enlazante del nitrógeno. Los pares se disponen en tetraedro, pero la geometría $\textbf{molecular}$, que solo mira dónde están los átomos, es una $\textbf{pirámide trigonal}$.

$\text{pirámide trigonal},\quad \text{ángulos H-N-H de unos } 107^\circ$

El ángulo es algo menor que el del tetraedro porque el par no enlazante, al pertenecer a un solo átomo, está más cerca del nitrógeno y ocupa más espacio angular, comprimiendo los enlaces.

$\textbf{c) Razone la hibridación que presentan las moléculas NH₃ y BeCl₂. [0,50 puntos]}$

La hibridación se deduce del número de zonas electrónicas alrededor del átomo central: son los orbitales que hay que combinar para tener uno por zona.

$\mathrm{NH_3}$: cuatro zonas alrededor del nitrógeno (tres enlaces y un par libre). Hacen falta cuatro orbitales híbridos, que se obtienen combinando el $2s$ con los tres $2p$:

$sp^3$

Tres de los cuatro híbridos forman los enlaces N-H y el cuarto aloja el par no enlazante.

$\mathrm{BeCl_2}$: solo dos zonas alrededor del berilio, los dos enlaces, sin pares libres. Bastan dos híbridos, del $2s$ y un $2p$:

$sp$

Dos híbridos $sp$ apuntan en direcciones opuestas, lo que explica que la molécula sea lineal, con un ángulo Cl-Be-Cl de 180°.

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

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.

De las cuatro, solo cumple la condición el $\textbf{amoníaco}$: sus hidrógenos están unidos a nitrógeno, y además el nitrógeno tiene un par no enlazante que es justo lo que acepta el puente de la molécula vecina.

El $\mathrm{CF_4}$, el $\mathrm{PCl_5}$ y el $\mathrm{BeCl_2}$ ni siquiera contienen hidrógeno. Nótese que el $\mathrm{CF_4}$ tiene flúor, pero eso no basta: el hidrógeno tiene que estar unido a él, y aquí no hay hidrógeno alguno.

Esos puentes explican que el amoníaco hierva a $-33$ °C, una temperatura anormalmente alta para una molécula tan ligera, y que sea extraordinariamente soluble en agua.