Ejercicio resuelto de Química · 2024

i) Explique la hibridación del átomo de oxígeno para la molécula de agua. [0,50 puntos]

ii) Justifique el valor del ángulo de enlace H-O-H y dibuje la molécula con sus orbitales correspondientes. [0,50 puntos]

iii) Razone la polaridad que presentará esta molécula. [0,50 puntos]

iv) El sulfuro de dihidrógeno presenta una geometría molecular similar a la del agua; indique razonadamente qué compuesto presentará un mayor punto de ebullición. [0,50 puntos]

Datos: Números atómicos: H, 1; O, 8; S, 16.

$\mathbf{\text{i)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ox}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{geno}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{agua.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

$\mathrm{O}(Z=8):1s^{2}2s^{2}2p^4$

El oxígeno llega al enlace con seis electrones de valencia. Si usara los orbitales atómicos puros, los dos enlaces se formarían con los dos orbitales $2p$ semiocupados y el ángulo sería de 90°, que no es lo que se mide.

Lo que ocurre es que el orbital $2s$ y los tres $2p$ se combinan y dan cuatro orbitales híbridos equivalentes, dirigidos hacia los vértices de un tetraedro: la hibridación es $s{p}^3$. De esos cuatro híbridos, $\mathbf{\text{dos}}$ alojan los pares no enlazantes y los otros dos se solapan con el orbital $1s$ de cada hidrógeno.

$\mathbf{\text{ii)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{valor}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ngulo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{enlace}}\mathbf{\text{H-O-H}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{dibuje}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{sus}}\mathbf{\text{orbitales}}\mathbf{\text{correspondientes.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Con cuatro orbitales híbridos dispuestos en tetraedro, el ángulo de partida sería de 109,5°. Pero los cuatro no son equivalentes en cuanto al espacio que ocupan: un par no enlazante está sujeto por un solo núcleo y se despliega más que un par de enlace, que está atraído por dos.

Los dos pares libres del oxígeno comprimen, por tanto, el ángulo entre los enlaces, que baja de 109,5° a unos 104,5°:



$\mathbf{\text{iii)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{polaridad}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{presentar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{esta}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Cada enlace O–H es polar, porque el oxígeno es bastante más electronegativo que el hidrógeno y atrae hacia sí el par compartido.

Y aquí, a diferencia de lo que ocurre en una molécula lineal o tetraédrica simétrica, los dos momentos dipolares $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{anulan}}$: al estar la molécula doblada, su suma vectorial apunta del vértice hacia la bisectriz del ángulo. El agua es, por tanto, una molécula $\mathbf{\text{polar}}$, con un momento dipolar apreciable.

$\mathbf{\text{iv)}}\mathbf{\text{El}}\mathbf{\text{sulfuro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{dihidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}\mathbf{\text{presenta}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{molecular}}\mathbf{\text{similar}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{agua;}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{presentar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ebullici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

$\mathrm{S}(Z=16):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^4$

Las dos moléculas son angulares y polares, así que la geometría no basta para decidir: hay que mirar las fuerzas intermoleculares. En el agua el hidrógeno está unido a oxígeno, pequeño y muy electronegativo, de modo que hay $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$; en el ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$ el azufre es mucho mayor y bastante menos electronegativo, y solo quedan fuerzas dipolo-dipolo, mucho más débiles.

Hierve antes, por tanto, el sulfuro de dihidrógeno, y el $\mathbf{\text{agua}}$ tiene el punto de ebullición más alto: 100 °C frente a unos $-60$ °C. Es una anomalía célebre, porque por masa molecular le tocaría lo contrario.