Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2022

Considere las siguientes moléculas: $\text{H}_2\text{S}$ y $\text{PH}_3$.

a) Represente y justifique sus estructuras de Lewis, indicando, en su caso, los pares de electrones no compartidos. (0,5 puntos)

b) Prediga sus geometrías moleculares según la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV). Razone si sus geometrías electrónicas coinciden con las moleculares. (1 punto)

c) Justifique si alguna de las dos moléculas tiene un momento dipolar no nulo. (0,5 puntos)

$\textbf{a) Represente y justifique sus estructuras de Lewis, indicando, en su caso, los pares de electrones no compartidos. (0,5 puntos)}$

Se cuentan primero los electrones de valencia de cada átomo y después se reparten formando enlaces hasta completar los octetos.

$\mathrm{H_2S}$: el azufre es $[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^4$ y tiene 6 electrones de valencia; cada hidrógeno aporta el suyo. El azufre comparte dos de sus electrones, uno con cada hidrógeno, y le quedan dos pares no enlazantes. Los hidrógenos completan su dueto y no tienen pares libres.



$\mathrm{PH_3}$: el fósforo es $[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^3$, con 5 electrones de valencia. Emplea tres en los enlaces con los hidrógenos y le queda un solo par no enlazante.



$\textbf{b) Prediga sus geometrías moleculares según la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV). Razone si sus geometrías electrónicas coinciden con las moleculares. (1 punto)}$

La TRPECV coloca todos los pares del átomo central lo más separados posible. La geometría electrónica atiende a todos esos pares; la molecular, solo a la posición de los átomos.

$\mathrm{H_2S}$: hay cuatro pares alrededor del azufre, dos enlazantes y dos libres. Cuatro pares se separan al máximo en una disposición tetraédrica, que es la geometría electrónica. Pero dos vértices los ocupan pares sin átomo, de modo que la geometría molecular es angular: no coinciden.

$\mathrm{PH_3}$: también hay cuatro pares, tres enlazantes y uno libre. La geometría electrónica vuelve a ser tetraédrica y la molecular es una pirámide trigonal, con el fósforo en el vértice y los tres hidrógenos en la base: tampoco coinciden.

En los dos casos el ángulo real es algo menor que los 109,5° del tetraedro regular, porque los pares no enlazantes ocupan más espacio que los enlazantes y comprimen los enlaces.

$\textbf{c) Justifique si alguna de las dos moléculas tiene un momento dipolar no nulo. (0,5 puntos)}$

Las dos lo tienen.

Los enlaces son polares en ambas: tanto el azufre como el fósforo son más electronegativos que el hidrógeno, así que el par compartido se desplaza hacia el átomo central y cada enlace lleva su propio momento dipolar.

Que la molécula sea polar exige además que esos momentos no se cancelen al sumarlos como vectores, y aquí ninguna de las dos geometrías es simétrica.

En el $\mathrm{H_2S}$, angular, los dos vectores forman un ángulo y su resultante apunta hacia el azufre. En el $\mathrm{PH_3}$, piramidal, los tres vectores tienen componente en la misma dirección, la del eje de la pirámide, y su suma tampoco se anula.

$\mu(\mathrm{H_2S}) \neq 0 \qquad \mu(\mathrm{PH_3}) \neq 0$

Ambas moléculas son, por tanto, polares. El contraste ilustrativo sería el $\mathrm{CH_4}$: sus enlaces también son polares, pero la simetría del tetraedro completo cancela los cuatro momentos.