Ejercicio resuelto de Química · 2024

Respecto a la molécula ${\text{CCl}}_4$ (tetracloruro de carbono) indique razonadamente:

a) Qué tipo de hibridación presenta el átomo de carbono. [0,5 puntos]

b) Cómo será la polaridad de los enlaces y de la molécula. [0,5 puntos]

c) Si será soluble o no en agua. [0,5 puntos]

d) De qué tipo y cómo será la fortaleza de los enlaces que forman entre sí moléculas de ese compuesto. [0,5 puntos]

Datos: números atómicos $Z$: $\text{C}=6$; $\text{Cl}=17$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tipo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{presenta}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{carbono.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El carbono tiene $Z=6$, luego su configuración en el estado fundamental es $1s^{2}2s^{2}2p^2$: solo dos electrones desapareados. Como en el $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$ forma cuatro enlaces equivalentes, promociona un electrón $2s$ al orbital $2p$ vacío y combina los cuatro orbitales de la capa de valencia:

$2s^{1}2p_x^{1}2p_y^{1}2p_z^1⟶\text{cuatro h}\acute{\text{ı}}\text{bridos equivalentes}$

La hibridación es $s{p}^3$. Los cuatro híbridos se dirigen hacia los vértices de un tetraedro, que es la disposición que los separa lo más posible, con ángulos Cl-C-Cl de 109,5°.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{C}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{polaridad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Hay que distinguir las dos cosas, que es justo lo que pregunta el apartado.

Los $\mathbf{\text{enlaces}}$ son polares: el cloro es bastante más electronegativo que el carbono (3,2 frente a 2,5), así que el par compartido se desplaza hacia el cloro y cada enlace C-Cl tiene su momento dipolar, dirigido del carbono al cloro.

La $\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}$, en cambio, es apolar. Los cuatro enlaces son idénticos y están repartidos con simetría tetraédrica alrededor del carbono, de modo que la suma vectorial de los cuatro momentos dipolares es nula:

${\vec{\mu }}_{\text{total}}=\sum {\vec{\mu }}_i=\vec{0}$

Tener enlaces polares no basta para que la molécula lo sea: hace falta además que la geometría no los cancele.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Si}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{soluble}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{agua.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

No será soluble. El agua es un disolvente polar, que forma enlaces de hidrógeno entre sus moléculas, y solo disuelve bien lo que puede establecer con ella interacciones de energía comparable: sustancias iónicas o moléculas polares.

El $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$ es apolar, así que disolverlo exigiría romper los enlaces de hidrógeno del agua sin nada que los compense. Se cumple la regla de que «lo semejante disuelve a lo semejante»: el tetracloruro de carbono es insoluble en agua y sí es miscible con disolventes apolares como el benceno o el hexano.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{De}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tipo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{fortaleza}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{forman}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{culas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ese}}\mathbf{\text{compuesto.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Entre moléculas de $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$ solo puede haber fuerzas intermoleculares de van der Waals, y como la molécula es apolar quedan reducidas a $\mathbf{\text{fuerzas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{dispersi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{London}}$: dipolos instantáneos que aparecen al fluctuar la nube electrónica e inducen dipolos en las moléculas vecinas.

No hay ni interacciones dipolo-dipolo (la molécula carece de momento dipolar permanente) ni enlaces de hidrógeno (no hay hidrógeno unido a F, O o N).

Son enlaces $\mathbf{\text{d}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{biles}}$ comparados con los covalentes intramoleculares, de unos pocos kJ/mol frente a los cientos de kJ/mol del enlace C-Cl. Aun así no son despreciables: el $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$ es una molécula grande y muy polarizable, lo que hace que las fuerzas de dispersión sean apreciables y que a temperatura ambiente sea líquido, y no gas como el $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$.