Ejercicio resuelto de Química · 2023

i) Describa y justifique la hibridación de los átomos centrales de las siguientes moléculas: $\text{C}_2\text{H}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$ y $\text{C}_2\text{H}_4$. [1,0 punto]

ii) Justifique en dichas moléculas su momento dipolar e indique si alguna de ellas podría formar puentes de hidrógeno. [1,0 punto]

Datos: Números atómicos: H, 1; C, 6; N, 7.

$\textbf{i) Describa y justifique la hibridación de los átomos centrales de las siguientes moléculas: C₂H₂, NH₃, CH₄ y C₂H₄. [1,0 punto]}$

La hibridación la marca el número de zonas de electrones que rodean al átomo central: cada enlace, sea simple, doble o triple, cuenta como una, y cada par no enlazante también.

$\mathrm{C_2H_2}$: cada carbono se une a un hidrógeno y al otro carbono, dos zonas. Hibridación $sp$, geometría lineal, 180°. Los dos orbitales $p$ sin hibridar forman los dos enlaces $\pi$ del triple enlace.

$\mathrm{NH_3}$: el nitrógeno tiene tres pares enlazantes y uno libre, cuatro zonas. Hibridación $sp^3$ y geometría de pirámide trigonal, con unos 107°.

$\mathrm{CH_4}$: cuatro pares enlazantes y ninguno libre. Hibridación $sp^3$ y geometría tetraédrica, 109,5°.

$\mathrm{C_2H_4}$: cada carbono tiene tres zonas (dos enlaces C–H y el doble enlace). Hibridación $sp^2$, geometría trigonal plana, 120°, y el orbital $p$ restante da el enlace $\pi$.

$\textbf{ii) Justifique en dichas moléculas su momento dipolar e indique si alguna de ellas podría formar puentes de hidrógeno. [1,0 punto]}$

Que una molécula tenga momento dipolar depende de dos cosas: que sus enlaces sean polares y que la geometría no los cancele.

$\mathrm{C_2H_2}$ y $\mathrm{CH_4}$: los enlaces C–H son solo débilmente polares y, además, la simetría —lineal en el primero, tetraédrica en el segundo— hace que los momentos se anulen. Las dos son $\textbf{apolares}$.

$\mathrm{C_2H_4}$: la molécula es plana y perfectamente simétrica respecto del doble enlace, de modo que también es $\textbf{apolar}$.

$\mathrm{NH_3}$: los enlaces N–H sí son claramente polares y la geometría piramidal no los cancela; los tres momentos se suman con el del par libre y dan una resultante apreciable. Es $\textbf{polar}$.

En cuanto a los puentes de hidrógeno, hacen falta un hidrógeno unido a flúor, oxígeno o nitrógeno y un par libre que lo acepte. Solo el $\textbf{amoniaco}$ cumple las dos condiciones; en las otras tres el hidrógeno está unido a carbono, que no es lo bastante electronegativo. Por eso el amoniaco hierve a $-33$ °C y los hidrocarburos citados, muy por debajo.