Ejercicio resuelto de Enlace químico · Química · 2021

Dadas las moléculas $\text{HF}$, $\text{NaCl}$, $\text{CCl}_4$ y $\text{CHF}_3$:

a) Razone el tipo de enlace de cada molécula. [0,80 puntos]

b) Justifique la geometría de las moléculas que presenten enlace covalente. [0,60 puntos]

c) Indique la polaridad de las moléculas covalentes. ¿Alguna presenta enlaces por puentes de hidrógeno? [0,60 puntos]

Datos: masas atómicas (u): $\text{H} = 1$; $\text{C} = 6$; $\text{F} = 9$; $\text{Na} = 11$; $\text{Cl} = 17$.

$\textbf{a) Razone el tipo de enlace de cada molécula. [0,80 puntos]}$

Una precisión previa sobre los datos: el enunciado los llama masas atómicas, pero los valores que da (H = 1, C = 6, F = 9, Na = 11, Cl = 17) son los $\textbf{números atómicos}$. Así es como se usan aquí, que es además lo que hace falta para razonar sobre el enlace.

El tipo de enlace lo decide la naturaleza de los elementos que se unen y su diferencia de electronegatividad.

$\mathrm{HF}$: dos no metales. Enlace $\textbf{covalente}$, y muy polarizado, porque el flúor es el elemento más electronegativo que existe y atrae con fuerza el par compartido.

$\mathrm{NaCl}$: un metal alcalino con un halógeno. La diferencia de electronegatividad es enorme, así que hay transferencia completa de electrones: enlace $\textbf{iónico}$. Estrictamente no forma moléculas, sino una red tridimensional de $\mathrm{Na^+}$ y $\mathrm{Cl^-}$; hablar de la molécula de NaCl es un abuso de lenguaje.

$\mathrm{CCl_4}$: dos no metales. Enlace $\textbf{covalente}$.

$\mathrm{CHF_3}$: tres no metales. Enlace $\textbf{covalente}$.

$\textbf{b) Justifique la geometría de las moléculas que presenten enlace covalente. [0,60 puntos]}$

Se aplica la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia, que cuenta las zonas electrónicas alrededor del átomo central y las coloca lo más separadas posible.

$\mathrm{HF}$: solo hay dos átomos, así que la molécula es necesariamente $\textbf{lineal}$. No hay geometría que discutir.

$\mathrm{CCl_4}$: cuatro zonas alrededor del carbono, todas enlazantes, y ningún par libre. Cuatro zonas se separan al máximo apuntando a los vértices de un tetraedro: geometría $\textbf{tetraédrica}$, con ángulos Cl-C-Cl de 109,5°. El carbono presenta hibridación $sp^3$.

$\mathrm{CHF_3}$: también cuatro zonas y ningún par libre, así que la geometría es igualmente $\textbf{tetraédrica}$. Los ángulos no son exactamente iguales entre sí, porque uno de los sustituyentes es un hidrógeno y los otros tres, flúor, pero la forma sigue siendo la de un tetraedro.

$\textbf{c) Indique la polaridad de las moléculas covalentes. ¿Alguna presenta enlaces por puentes de hidrógeno? [0,60 puntos]}$

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.

$\mathrm{HF}$: $\textbf{polar}$, y de los más polares que existen. Hay un solo enlace, muy polarizado hacia el flúor, y nada que lo compense.

$\mathrm{CCl_4}$: $\textbf{apolar}$. Los cuatro enlaces C-Cl sí son polares, pero son idénticos y el tetraedro es perfectamente simétrico, de modo que los cuatro momentos se cancelan entre sí.

$\mathrm{CHF_3}$: $\textbf{polar}$. La disposición vuelve a ser tetraédrica, pero los cuatro sustituyentes ya no son iguales: tres enlaces C-F muy polares no quedan compensados por el C-H, mucho menos polar. La simetría se rompe y aparece un momento dipolar neto.

La comparación entre las dos últimas es el sentido del apartado: la diferencia entre ser polar o no la decide la simetría, no la polaridad de los enlaces.

Sobre los $\textbf{puentes de hidrógeno}$: solo los presenta el $\mathrm{HF}$. La condición es que el hidrógeno esté unido directamente a flúor, oxígeno o nitrógeno, y solo el fluoruro de hidrógeno la cumple. El $\mathrm{CHF_3}$ tiene flúor e hidrógeno, pero su hidrógeno está unido al carbono, no al flúor, así que no basta.

Esos puentes explican que el $\mathrm{HF}$ hierva a 20 °C mientras que el $\mathrm{HCl}$, más pesado, lo haga a $-85$ °C.