Ejercicio resuelto de Química · 2023

i) Explique las hibridaciones $sp^{3}$ y $sp^{2}$ utilizando el átomo de carbono. [1,0 punto]

ii) Dibuje en tres dimensiones un ejemplo de molécula que contenga algún átomo con orbitales hibridados $sp^{3}$ y otro ejemplo de molécula que contenga átomos con orbitales hibridados $sp^{2}$, indicando los ángulos existentes entre los orbitales hibridados, así como los enlaces $\sigma$ y $\pi$ que estén presentes en dichas moléculas. [1,0 punto]

Datos: Número atómico: C, 6.

$\textbf{i) Explique las hibridaciones sp³ y sp² utilizando el átomo de carbono. [1,0 punto]}$

$\mathrm{C}\ (Z = 6): \quad 1s^2\,2s^2\,2p^2$

Tal cual, el carbono solo tendría dos electrones desapareados y formaría dos enlaces, cuando en realidad forma cuatro. Lo que ocurre es que uno de los electrones $2s$ promociona al orbital $2p$ vacío y, acto seguido, los orbitales de valencia se combinan entre sí y dan orbitales híbridos equivalentes, dirigidos de modo que se repelan lo menos posible.

$\textbf{Hibridación }sp^3$: el orbital $2s$ se combina con los $\textbf{tres}$ orbitales $2p$ y salen cuatro híbridos idénticos, orientados hacia los vértices de un tetraedro y separados 109,5°. Cada uno forma un enlace $\sigma$. Es el caso del metano y, en general, de todos los carbonos saturados.

$\textbf{Hibridación }sp^2$: el orbital $2s$ se combina solo con $\textbf{dos}$ de los $2p$ y salen tres híbridos coplanarios separados 120°, que forman tres enlaces $\sigma$. El tercer orbital $2p$ queda sin hibridar, perpendicular a ese plano, y es el que se solapa lateralmente con el de otro carbono para dar el enlace $\pi$ del doble enlace.

$\textbf{ii) Dibuje en tres dimensiones un ejemplo de molécula que contenga algún átomo con orbitales hibridados sp³ y otro ejemplo de molécula que contenga átomos con orbitales hibridados sp², indicando los ángulos existentes entre los orbitales hibridados, así como los enlaces σ y π que estén presentes en dichas moléculas. [1,0 punto]}$

Sirven el metano y el eteno, los dos ejemplos canónicos:



En el $\mathrm{CH_4}$ el carbono es $sp^3$: los cuatro híbridos apuntan a los vértices de un tetraedro, con ángulos de 109,5°, y cada uno se solapa frontalmente con el $1s$ de un hidrógeno. Hay $\textbf{cuatro enlaces}$ $\sigma$ y ningún $\pi$.

En el $\mathrm{C_2H_4}$ cada carbono es $sp^2$: sus tres híbridos están en un plano, a 120°, y forman dos enlaces $\sigma$ con hidrógenos y uno con el otro carbono. Los dos orbitales $2p$ sin hibridar, perpendiculares al plano, se solapan lateralmente y dan el enlace $\pi$. En total, $\textbf{cinco enlaces}$ $\sigma$ y $\textbf{uno}$ $\pi$, y la molécula entera es plana porque el enlace $\pi$ impide el giro.