Ejercicio resuelto de Estructura de Lewis · Química · 2020

Dadas las moléculas: 1) $\text{CH}_4$; 2) $\text{BCl}_3$; 3) $\text{BeH}_2$ y 4) $\text{NH}_3$:

a) Escriba la estructura de Lewis de cada una de ellas. [0,80 puntos]

b) Indique, razonadamente, la hibridación que presenta cada una de ellas. [0,80 puntos]

c) Justifique si alguna de ellas presenta enlaces por puentes de hidrógeno. [0,40 puntos]

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{H} = 1$; $\text{Be} = 4$; $\text{B} = 5$; $\text{C} = 6$; $\text{N} = 7$; $\text{Cl} = 17$.

$\textbf{a) Escriba la estructura de Lewis de cada una de ellas. [0,80 puntos]}$

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

$\mathrm{CH_4}$: el carbono aporta 4 electrones de valencia y cada hidrógeno 1, en total 8. El carbono forma cuatro enlaces simples y no le queda ningún par libre; cada hidrógeno queda con dos electrones, que es su capa completa.



$\mathrm{BCl_3}$: 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.

$\mathrm{BeH_2}$: el berilio aporta 2 y cada hidrógeno 1, en total 4. El berilio forma dos enlaces simples y queda con solo 4 electrones a su alrededor, otra excepción al octeto, aún más acusada que la del boro.



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



$\textbf{b) Indique, razonadamente, la hibridación que presenta cada una de ellas. [0,80 puntos]}$

La hibridación se deduce del número de zonas electrónicas alrededor del átomo central —enlazantes y no enlazantes—: son los orbitales que hay que combinar para disponer de uno por zona.

$\mathrm{CH_4}$: cuatro zonas, todas enlazantes. Se combinan el $2s$ y los tres $2p$: hibridación $\textbf{sp³}$. Los cuatro híbridos apuntan a los vértices de un tetraedro, con ángulos de 109,5°.

$\mathrm{BCl_3}$: tres zonas, todas enlazantes. Se combinan el $2s$ y dos $2p$: hibridación $\textbf{sp²}$. Los tres híbridos se reparten en un plano a 120°, de donde la geometría trigonal plana. El orbital $p$ restante queda vacío y perpendicular al plano.

$\mathrm{BeH_2}$: dos zonas. Se combinan el $2s$ y un $2p$: hibridación $\textbf{sp}$. Los dos híbridos apuntan en direcciones opuestas, de donde la geometría lineal, con un ángulo H-Be-H de 180°.

$\mathrm{NH_3}$: cuatro zonas, tres enlazantes y un par libre. Hibridación $\textbf{sp³}$. Tres de los cuatro híbridos forman los enlaces N-H y el cuarto aloja el par no enlazante, lo que da la geometría de pirámide trigonal.

La regla es directa: dos zonas, $sp$; tres, $sp^2$; cuatro, $sp^3$. Y conviene subrayar que los pares no enlazantes cuentan, como muestra la comparación entre el metano y el amoníaco: los dos son $sp^3$, aunque uno tenga cuatro enlaces y el otro solo tres.

$\textbf{c) Justifique si alguna de ellas presenta enlaces por puentes de hidrógeno. [0,40 puntos]}$

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 $\mathrm{CH_4}$ y el $\mathrm{BeH_2}$ tienen hidrógenos, pero unidos a carbono y a berilio, elementos poco electronegativos que no polarizan lo suficiente el enlace. El $\mathrm{BCl_3}$ ni siquiera contiene hidrógeno.

El contraste entre metano y amoníaco es elocuente: son moléculas de masa parecida, pero el metano hierve a $-161$ °C y el amoníaco a $-33$ °C, más de cien grados por encima, y esa diferencia se debe por entero a los puentes de hidrógeno.