Ejercicio resuelto de Química · 2020

B.1 Responda las siguientes cuestiones:

a) (0,75 puntos) Para la molécula $\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$, indique la hibridación del átomo central, número de orbitales híbridos y número de electrones en cada orbital híbrido.
b) (0,75 puntos) Justifique si la molécula $\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$ es polar o apolar.
c) (0,5 puntos) Explique la solubilidad del propan-2-ol en agua en función de las fuerzas intermoleculares existentes.

${\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Para}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{NF}}}_3\mathbf{\text{,}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{central,}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{mero}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{orbitales}}\mathbf{\text{h}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{bridos}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{mero}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{orbital}}\mathbf{\text{h}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{brido.}}\mathbf{\text{(0,75}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El nitrógeno tiene 5 electrones de valencia; emplea 3 en los enlaces con los flúor y le queda un par no enlazante. Son $\mathbf{\text{cuatro}}$ zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central, luego:

Hibridación: $s{p}^3$, que resulta de combinar el orbital $2s$ con los tres $2p$.

Número de orbitales híbridos: $\mathbf{\text{4}}$, dirigidos hacia los vértices de un tetraedro. El número de orbitales híbridos siempre coincide con el de orbitales atómicos que se combinan.

Reparto de los 5 electrones de valencia entre esos cuatro orbitales: $\mathbf{\text{tres}}\mathbf{\text{orbitales}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{uno}}$, que son los que forman los enlaces con los flúor apareándose con el electrón desapareado de cada uno, y $\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{orbital}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{electrones}}$, que aloja el par no enlazante.

${\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cula}}\mathbf{\text{NF}}}_3\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{polar}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{apolar.}}\mathbf{\text{(0,75}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$\mathbf{\text{Es}}\mathbf{\text{polar.}}$

Los enlaces N–F son muy polares, porque el flúor es el elemento más electronegativo de la tabla y el par compartido se desplaza claramente hacia él.

Pero eso no basta: hay que sumar los momentos dipolares como vectores, y ahí entra la geometría. Con tres pares enlazantes y uno libre, la geometría molecular es una $\mathbf{\text{pir}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{mide}}\mathbf{\text{trigonal}}$, no plana. Los tres momentos apuntan hacia el mismo hemisferio y no se cancelan.

La comparación con el $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$ es lo que aclara el razonamiento: allí también hay tres enlaces al flúor, igual de polares, pero al no haber par libre la molécula es trigonal plana, perfectamente simétrica, y los momentos se anulan. La polaridad de una molécula depende tanto de la de sus enlaces como de su geometría.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{solubilidad}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{propan-2-ol}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{agua}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{funci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{fuerzas}}\mathbf{\text{intermoleculares}}\mathbf{\text{existentes.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El propan-2-ol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, es $\mathbf{\text{muy}}\mathbf{\text{soluble}}$ en agua; de hecho es miscible con ella en cualquier proporción.

Vale la regla de que lo semejante disuelve a lo semejante. El agua es un disolvente muy polar y capaz de formar enlaces de hidrógeno, y el propan-2-ol cumple las dos cosas: es polar y su grupo $-\mathrm{O}\mathrm{H}$ tiene un hidrógeno unido a un oxígeno, de modo que puede donar y aceptar $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$ con las moléculas de agua. Esas interacciones son tan intensas como las que el agua ya tenía consigo misma, así que compensan romperlas.

Conviene añadir el matiz que explica la tendencia de la serie: la cadena hidrocarbonada es apolar y no interacciona bien con el agua. Con tres carbonos el grupo $-\mathrm{O}\mathrm{H}$ todavía domina, pero al alargar la cadena la solubilidad cae bruscamente, y a partir de unos cinco o seis carbonos los alcoholes ya son prácticamente insolubles.