Ejercicio resuelto de Estructura de Lewis · Química · 2023

Sean las siguientes moléculas: 1) $\text{CH}_4$; 2) $\text{H}_2\text{S}$; 3) $\text{BCl}_3$; 4) $\text{Cl}_2$.

a) Represente las estructuras de Lewis de las cuatro moléculas. [0,5 puntos]

b) Indique cuál será la geometría de las moléculas de $\text{CH}_4$ y $\text{BCl}_3$, según la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV). [0,5 puntos]

c) Razone cuál es la hibridación del carbono en la molécula de $\text{CH}_4$. [0,5 puntos]

d) Indique si alguna de las cuatro moléculas presenta polaridad y justifique la respuesta. [0,5 puntos]

Datos: números atómicos: $\text{C}: Z = 6$; $\text{H}: Z = 1$; $\text{S}: Z = 16$; $\text{B}: Z = 5$; $\text{Cl}: Z = 17$.

$\textbf{a) Represente las estructuras de Lewis de las cuatro moléculas. [0,5 puntos]}$

Se cuentan los electrones de valencia que aporta cada átomo, según su grupo, y se reparten en enlaces y pares libres hasta completar los octetos.



$\mathrm{CH_4}$: el carbono aporta 4 electrones y cada hidrógeno 1, en total 8. El carbono forma cuatro enlaces simples y no le queda ningún par libre.

$\mathrm{H_2S}$: el azufre aporta 6 y cada hidrógeno 1, en total 8. Forma dos enlaces y $\textbf{le sobran dos pares no enlazantes}$.

$\mathrm{BCl_3}$: el boro aporta 3 y cada cloro 7, en total 24. El boro forma tres enlaces y se queda con solo 6 electrones a su alrededor, excepción al octeto por defecto; cada cloro conserva tres pares libres.

$\mathrm{Cl_2}$: cada cloro aporta 7, en total 14. Comparten un par y a cada uno le quedan tres pares no enlazantes.

$\textbf{b) Indique cuál será la geometría de las moléculas de CH₄ y BCl₃, según la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV). [0,5 puntos]}$

Se cuentan todos los pares que rodean al átomo central y se colocan lo más separados posible; luego se mira solo dónde han quedado los átomos.

$\mathrm{CH_4}$: cuatro pares enlazantes y ninguno libre. Geometría $\textbf{tetraédrica}$, con ángulos de 109,5°.

$\mathrm{BCl_3}$: tres pares enlazantes y ninguno libre. Geometría $\textbf{trigonal plana}$, con ángulos de 120°.

$\textbf{c) Razone cuál es la hibridación del carbono en la molécula de CH₄. [0,5 puntos]}$

El carbono, en su estado fundamental, tiene la configuración $1s^2\,2s^2\,2p^2$: solo dos electrones desapareados, con los que apenas podría formar dos enlaces, y además serían de dos tipos distintos.

Lo que ocurre es que un electrón $2s$ promociona a un orbital $2p$ vacío y los cuatro orbitales resultantes se mezclan, dando cuatro híbridos $\textbf{sp}^3$ equivalentes y semiocupados, dirigidos hacia los vértices de un tetraedro.

Así el carbono forma cuatro enlaces C–H idénticos y a 109,5°, que es exactamente lo que se observa experimentalmente. La hibridación es, por tanto, $sp^3$, y concuerda con la geometría deducida por la TRPECV en el apartado anterior.

$\textbf{d) Indique si alguna de las cuatro moléculas presenta polaridad y justifique la respuesta. [0,5 puntos]}$

Que una molécula sea polar depende de dos cosas: que sus enlaces lo sean y que la geometría no los cancele. Hay que sumar los momentos dipolares como vectores.

$\mathrm{CH_4}$: los enlaces C–H son poco polares y, además, el tetraedro es perfectamente simétrico, así que los cuatro momentos se anulan. $\textbf{Apolar.}$

$\mathrm{BCl_3}$: los enlaces B–Cl sí son polares, pero los tres son idénticos y están a 120° en un plano, apuntando hacia fuera desde el boro. Su suma vectorial es nula. $\textbf{Apolar.}$

$\mathrm{Cl_2}$: los dos átomos son iguales, luego el par compartido no se desplaza hacia ninguno. El enlace es apolar y la molécula también. $\textbf{Apolar.}$

$\mathrm{H_2S}$: los enlaces S–H son polares y, al haber dos pares libres sobre el azufre, la molécula es angular. Los dos momentos no están enfrentados y no se anulan. $\textbf{Polar}$, y es la única de las cuatro que lo es.

La comparación entre el $\mathrm{BCl_3}$ y el $\mathrm{H_2S}$ es la que da sentido al apartado: tener enlaces polares no basta; hace falta además que la geometría sea asimétrica.