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

$\textbf{a) Qué tipo de hibridación presenta el átomo de carbono. [0,5 puntos]}$

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 $\mathrm{CCl_4}$ forma cuatro enlaces equivalentes, promociona un electrón $2s$ al orbital $2p$ vacío y combina los cuatro orbitales de la capa de valencia:

$2s^1\,2p_x^1\,2p_y^1\,2p_z^1 \;\longrightarrow\; \text{cuatro híbridos equivalentes}$

La hibridación es $sp^3$. 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°.

$\textbf{b) Cómo será la polaridad de los enlaces y de la molécula. [0,5 puntos]}$

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

Los $\textbf{enlaces}$ 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 $\textbf{molécula}$, 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.

$\textbf{c) Si será soluble o no en agua. [0,5 puntos]}$

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 $\mathrm{CCl_4}$ 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.

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

Entre moléculas de $\mathrm{CCl_4}$ solo puede haber fuerzas intermoleculares de van der Waals, y como la molécula es apolar quedan reducidas a $\textbf{fuerzas de dispersión de London}$: 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 $\textbf{débiles}$ 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 $\mathrm{CCl_4}$ 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 $\mathrm{CH_4}$.