Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2024

PREGUNTA 2 [2 puntos (1 punto por apartado)].

2.1. En base a la teoría de repulsión de los pares electrónicos de la capa de valencia justifique la geometría electrónica y molecular del ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}\mathrm{e}$, y discuta razonadamente si tiene o no momento dipolar.
2.2. Sabiendo que la molécula de ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ tiene geometría electrónica tetraédrica y molecular angular: prediga razonadamente el valor del ángulo de enlace, indique qué orbitales híbridos empleará el átomo de oxígeno para formar los enlaces en la molécula, indicando cómo se forman dichos orbitales híbridos.

${\mathbf{\text{2.1.}}\mathbf{\text{En}}\mathbf{\text{base}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{teor}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{repulsi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{pares}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicos}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{capa}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{valencia}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{molecular}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{H}}}_2\mathbf{\text{Se,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{discuta}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{momento}}\mathbf{\text{dipolar.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Se cuentan primero los electrones de valencia. El selenio pertenece al grupo 16 y aporta 6; cada hidrógeno aporta 1, con lo que hay 8 en total. El selenio es el átomo central, forma un enlace simple con cada hidrógeno —lo que consume 4 electrones— y $\mathbf{\text{le}}\mathbf{\text{quedan}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{pares}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{enlazantes}}$.

$\mathrm{H}-\ddot{\mathrm{S}}\mathrm{e}-\mathrm{H}\text{con dos pares libres sobre el Se}$

Según la TRPECV, lo que determina la disposición espacial es el número de zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central, porque todas se repelen entre sí:

$2\text{ pares enlazantes}+2\text{ pares libres}=4\text{ zonas}$

Cuatro zonas se separan al máximo en una disposición tetraédrica:

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica:}}\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}$.

$\mathbf{\text{Geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{molecular:}}\mathbf{\text{angular}}$, porque solo se atiende a la posición de los átomos y dos de los cuatro vértices están ocupados por pares libres, que no se ven.

El ángulo H-Se-H es menor de 109,5°, ya que los pares no enlazantes están atraídos por un solo núcleo, ocupan más espacio angular y comprimen a los enlazantes.

$\mathbf{\text{Momento}}\mathbf{\text{dipolar:}}\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{lo}}\mathbf{\text{tiene.}}$ Los enlaces Se-H son polares, porque el selenio es más electronegativo que el hidrógeno (2,6 frente a 2,2), aunque la diferencia sea pequeña. Y, sobre todo, la geometría angular impide que los dos momentos se cancelen: al no estar enfrentados, su suma vectorial no es nula.

${\vec{\mu }}_{\text{total}}={\vec{\mu }}_1+{\vec{\mu }}_2\mathrm{\ne }\vec{0}$

La molécula es, por tanto, polar, si bien su momento dipolar es pequeño, bastante menor que el del agua, porque la diferencia de electronegatividad entre el selenio y el hidrógeno es modesta.

${\mathbf{\text{2.2.}}\mathbf{\text{Sabiendo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{H}}}_2\mathbf{\text{O}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{molecular}}\mathbf{\text{angular:}}\mathbf{\text{prediga}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{valor}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ngulo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{enlace,}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{orbitales}}\mathbf{\text{h}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{bridos}}\mathbf{\text{emplear}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ox}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{geno}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{formar}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula,}}\mathbf{\text{indicando}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{forman}}\mathbf{\text{dichos}}\mathbf{\text{orbitales}}\mathbf{\text{h}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{bridos.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

$\acute{\mathbf{\text{A}}}\mathbf{\text{ngulo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{enlace.}}$ Que la geometría electrónica sea tetraédrica significa que hay cuatro zonas de densidad electrónica alrededor del oxígeno, y que la geometría molecular sea angular, que dos de ellas son pares no enlazantes. El punto de partida es, por tanto, el ángulo del tetraedro regular:

${\alpha }_0={\mathrm{109,5}}^{\circ }$

Pero los pares libres no se comportan igual que los enlazantes: un par enlazante está atraído por $\mathbf{\text{dos}}$ núcleos y queda concentrado entre ellos, mientras que uno no enlazante solo está sujeto por el oxígeno y se extiende más. Ocupa más espacio angular y comprime a los demás. El orden de repulsiones es:

$\text{libre-libre }>\text{ libre-enlazante }>\text{ enlazante-enlazante}$

Con dos pares libres empujando, el ángulo H-O-H queda por debajo de 109,5°. La predicción es «algo menor de 109,5°», y el valor experimental confirma la magnitud de la corrección:

$\widehat{\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}}={\mathrm{104,5}}^{\circ }$

$\mathbf{\text{Hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}$ La configuración del oxígeno en su estado fundamental es:

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

Con dos electrones desapareados en orbitales $2p$, el oxígeno podría en principio formar los dos enlaces sin hibridar, pero entonces el ángulo sería de 90°, el que forman entre sí los orbitales $p$, y no es lo que se observa. Además hay que dar acomodo a los dos pares no enlazantes en pie de igualdad con los enlazantes, porque todos ellos se reparten el espacio.

Se combinan por eso los $\mathbf{\text{cuatro}}$ orbitales de la capa de valencia:

$2s+2p_x+2p_y+2p_z⟶4\text{orbitales h}\acute{\text{ı}}\text{bridos }\mathbf{s}{\mathbf{p}}^{\mathbf{3}}$

Se obtienen cuatro orbitales equivalentes entre sí, con un 25 % de carácter $s$ y un 75 % de carácter $p$, dirigidos hacia los vértices de un tetraedro.

$\mathbf{\text{Distribuci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{electrones}}$: de los seis electrones de valencia del oxígeno, cuatro se emparejan de dos en dos y ocupan dos de los híbridos como pares no enlazantes; los otros dos quedan desapareados, uno en cada híbrido restante, y solapan con el orbital $1s$ de un hidrógeno formando sendos enlaces $\sigma$.