Ejercicio resuelto de Estructura de Lewis · Química · 2021

a) Para la molécula de ácido metanoico, $\text{HCOOH}$, deduzca la estructura de Lewis. Indique y dibuje la geometría molecular del compuesto alrededor del átomo de carbono y del átomo de oxígeno del grupo $-\text{OH}$, según la TRPECV. [1,0 punto]

Datos: $\text{C}\ (Z = 6)$; $\text{H}\ (Z = 1)$; $\text{O}\ (Z = 8)$.

b) A partir de la configuración electrónica del anión $\text{X}^{3-}$: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6$, escriba la configuración electrónica del elemento $\text{X}$ en su estado fundamental. Indique su número atómico y el bloque y el período de la tabla periódica a los que pertenece. Justifique las respuestas. [1,0 punto]

$\textbf{a) Para la molécula de ácido metanoico, HCOOH, deduzca la estructura de Lewis. Indique y dibuje la geometría molecular del compuesto alrededor del átomo de carbono y del átomo de oxígeno del grupo hidroxilo, según la TRPECV. [1,0 punto]}$

Se cuentan los electrones de valencia: el carbono ($Z = 6$) aporta 4, cada oxígeno ($Z = 8$) 6 y cada hidrógeno ($Z = 1$) 1.

$4 + 2 \cdot 6 + 2 \cdot 1 = 18 \text{ electrones} = 9 \text{ pares}$

El carbono es el átomo central y está unido a tres cosas: un hidrógeno, un oxígeno por doble enlace y el oxígeno del hidroxilo, que a su vez lleva el otro hidrógeno. Eso son cinco pares enlazantes (contando los dos del doble enlace); los cuatro restantes son pares no enlazantes, dos sobre el oxígeno carbonílico y dos sobre el del hidroxilo. Con ese reparto los tres átomos pesados completan el octeto y el carbono no queda con ningún par libre.



$\textbf{Geometría alrededor del carbono.}$ La TRPECV cuenta zonas, y un doble enlace cuenta como una sola. El carbono tiene tres zonas —el H, el $\mathrm{{=}O}$ y el $\mathrm{-OH}$— y ningún par no enlazante, de modo que se separan al máximo en un plano:

Geometría $\textbf{trigonal plana}$, con ángulos próximos a $120^\circ$.

Los tres ángulos no son exactamente iguales, porque las tres zonas no son equivalentes: el doble enlace, con dos pares, ocupa algo más de espacio que los simples y abre ligeramente los ángulos que lo rodean.

$\textbf{Geometría alrededor del oxígeno del hidroxilo.}$ Ese oxígeno tiene cuatro zonas: dos enlaces (con el carbono y con el hidrógeno) y dos pares no enlazantes. Cuatro zonas se disponen en tetraedro, pero la geometría molecular, la que dibujan los átomos, es $\textbf{angular}$; y como los pares libres ocupan más espacio que los enlazantes, el ángulo C–O–H queda por debajo de los 109,5° tetraédricos:

Geometría $\textbf{angular}$, con un ángulo algo menor de $109{,}5^\circ$ (unos 106° en la molécula real).

Es el mismo entorno que tiene el oxígeno del agua, y por la misma razón se comporta igual: de ahí que los ácidos carboxílicos formen enlaces de hidrógeno con tanta facilidad, incluso entre sí, asociándose en dímeros.

$\textbf{b) A partir de la configuración electrónica del anión X³⁻, escriba la configuración electrónica del elemento X en su estado fundamental. Indique su número atómico y el bloque y el período de la tabla periódica a los que pertenece. Justifique las respuestas. [1,0 punto]}$

Primero se cuentan los electrones del anión:

$2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 = 36\ \text{electrones}$

El anión tiene carga $3-$, lo que significa que el átomo neutro ha $\textbf{ganado}$ tres electrones. Por tanto el elemento X tiene tres menos:

$n(e^-)\ \text{en X} = 36 - 3 = 33$

Y como en un átomo neutro el número de electrones iguala al de protones:

$Z = 33$

Se trata del $\textbf{arsénico}$. Su configuración se obtiene quitando los tres últimos electrones, que son los de la subcapa más externa, la $4p$:

$\mathrm{X}: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3$

Con eso quedan determinados el bloque y el periodo:

$\textbf{Bloque p}$, porque la última subcapa que se ocupa al construir la configuración es una $p$ (la $4p$). Con tres electrones en ella, pertenece al grupo 15.

$\textbf{Periodo 4}$, porque su capa de valencia es la cuarta: es el mayor número cuántico principal ocupado.

Se comprueba de paso la coherencia del enunciado: al ganar tres electrones el arsénico llega a $4p^6$, es decir, a la configuración del kriptón, el gas noble que le sigue. Que un elemento del grupo 15 forme el anión $\mathrm{X^{3-}}$ es precisamente lo esperable.