Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2023

PREGUNTA 2.

2.1. En base al modelo de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV), prediga razonadamente para la molécula de $\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_3$ su geometría electrónica sugiriendo el valor aproximado del ángulo de enlace, e indique el tipo de hibridación que emplearía el átomo de aluminio en la molécula para formar los enlaces correspondientes.
2.2. Explique qué tipo de enlace químico debe romperse o qué fuerza de atracción debe vencerse para:
fundir cloruro de potasio
fundir diamante
hervir agua

${\mathbf{\text{2.1.}}\mathbf{\text{En}}\mathbf{\text{base}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{modelo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{repulsi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{pares}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{capa}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{valencia}}\mathbf{\text{(TRPECV),}}\mathbf{\text{prediga}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{AlCl}}}_3\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{sugiriendo}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{valor}}\mathbf{\text{aproximado}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ngulo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{enlace,}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{tipo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{emplear}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{aluminio}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{formar}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{correspondientes.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

El aluminio pertenece al grupo 13, así que aporta 3 electrones de valencia:

$\mathrm{A}\mathrm{l}(Z=13):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^1$

Los emplea los tres en formar sendos enlaces simples con los cloros, y $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{le}}\mathbf{\text{queda}}\mathbf{\text{ning}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{par}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{enlazante}}$. El aluminio es una de las excepciones a la regla del octeto: se queda rodeado de solo 6 electrones.

$3\text{ pares enlazantes}+0\text{ pares libres}=3\text{ zonas}$

Tres zonas de densidad electrónica se separan al máximo situándose en un mismo plano y a 120° unas de otras:

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica:}}\mathbf{\text{trigonal}}\mathbf{\text{plana}}$, con ángulos Cl-Al-Cl de $\mathbf{\text{120°}}$.

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{molecular:}}\mathbf{\text{trigonal}}\mathbf{\text{plana}}$ también, ya que al no haber pares libres las tres posiciones están ocupadas por átomos. Y como no hay pares no enlazantes que compriman nada, el ángulo es exactamente el de partida, sin corrección.

$\mathbf{\text{Hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}$ En su estado fundamental el aluminio solo tiene un electrón desapareado, así que primero promociona un electrón del $3s$ a un $3p$ vacío:

$3s^{2}3p^1⟶3s^{1}3p^2$

Ya hay tres electrones desapareados, pero en orbitales de distinta naturaleza, y los tres enlaces Al-Cl son idénticos. Se combinan por eso $\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{orbital}}$ $3s$ $\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{orbitales}}$ $3p$:

$3s+3p_x+3p_y⟶3\text{orbitales h}\acute{\text{ı}}\text{bridos }\mathbf{s}{\mathbf{p}}^{\mathbf{2}}$

Los tres híbridos $s{p}^2$ son equivalentes, están en un mismo plano y forman ángulos de 120° entre sí, lo que concuerda con la geometría deducida por la TRPECV. Cada uno lleva un electrón y solapa con un orbital semiocupado de un cloro. El tercer orbital $3p$, el $3p_z$, no participa en la hibridación y queda $\mathbf{\text{vac}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{o}}$, perpendicular al plano de la molécula: es lo que hace del $\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_3$ un ácido de Lewis y explica que tienda a dimerizar a $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_6$.

$\mathbf{\text{2.2.}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tipo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{enlace}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{mico}}\mathbf{\text{debe}}\mathbf{\text{romperse}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{fuerza}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{atracci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{debe}}\mathbf{\text{vencerse}}\mathbf{\text{para:}}\mathbf{\text{fundir}}\mathbf{\text{cloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{potasio,}}\mathbf{\text{fundir}}\mathbf{\text{diamante,}}\mathbf{\text{hervir}}\mathbf{\text{agua.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

La respuesta depende, en cada caso, de qué mantiene unidas a las partículas en el estado de partida.

$\mathbf{\text{Fundir}}\mathbf{\text{cloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{potasio.}}$ El KCl es un compuesto $\mathbf{\text{i}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nico}}$: su sólido es una red tridimensional de iones ${\mathrm{K}}^{+}$ y $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ alternados. Para fundirlo hay que vencer las $\mathbf{\text{fuerzas}}\mathbf{\text{electrost}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ticas}}$ entre cargas de signo contrario, que actúan en todas las direcciones y son muy intensas. No se rompe ninguna molécula, porque no las hay: el cristal entero es la unidad. De ahí que funda a 772 °C.

$\mathbf{\text{Fundir}}\mathbf{\text{diamante.}}$ El diamante es un sólido $\mathbf{\text{covalente}}\mathbf{\text{reticular}}$: cada átomo de carbono está unido a otros cuatro por enlaces covalentes en disposición tetraédrica, formando una red que se extiende por todo el cristal. Aquí sí hay que romper $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{covalentes}}$, y son los más fuertes de los tres casos. Por eso su punto de fusión ronda los 4000 °C.

$\mathbf{\text{Hervir}}\mathbf{\text{agua.}}$ El agua es una sustancia $\mathbf{\text{molecular}}$: en el líquido hay moléculas discretas de ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, y al hervir siguen existiendo como tales en el vapor. El enlace covalente O-H $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{rompe}}$; lo que hay que vencer son las fuerzas $\mathbf{\text{intermoleculares}}$, y en particular los $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$ que cada molécula forma con sus vecinas gracias a que su hidrógeno está unido a un átomo pequeño y muy electronegativo con pares libres.

Esa es la clave de la comparación: los dos primeros exigen romper enlaces químicos y ocurren a temperaturas de cientos o miles de grados; el tercero solo exige vencer atracciones entre moléculas y ocurre a 100 °C. Aun así, esos 100 °C son anormalmente altos para una molécula tan pequeña, y precisamente el enlace de hidrógeno es la razón.