Ejercicio resuelto de Geometría molecular · Química · 2023

A4. Justifica la geometría de las siguientes moléculas covalentes de acuerdo con la teoría de la repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV).

a) Dibromuro de berilio. (0,50)
b) Tricloruro de aluminio. (0,50)
c) Tetracloruro de silicio. (0,50)
d) Explica razonadamente qué tipo de fuerzas hay que vencer para llevar a cabo los siguientes procesos: a) Fundir hielo, b) Hervir bromo ($\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2$), c) Fundir cloruro de sodio. (1,00)

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Dibromuro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{berilio.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

Según la TRPECV, los pares de electrones que rodean al átomo central se orientan de modo que la repulsión entre ellos sea mínima, es decir, lo más separados posible. Lo primero es contar cuántos pares hay, para lo cual se parte de las configuraciones electrónicas.

$\mathrm{B}\mathrm{e}:1s^{2}2s^2\Rightarrow 2e^{-}\text{ de valencia}$

$\mathrm{B}\mathrm{r}:[\mathrm{A}\mathrm{r}]3d^{10}4s^{2}4p^5\Rightarrow 7e^{-}\text{ de valencia}$

El berilio comparte sus dos electrones, uno con cada bromo, de modo que se forman dos enlaces sencillos y no le queda ningún par solitario. Con solo dos pares alrededor, la separación máxima se logra en direcciones opuestas.

$\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2:\mathrm{A}{\mathrm{X}}_2\Rightarrow {180}^{\circ }\Rightarrow \text{geometr}\acute{\text{ı}}\text{a lineal}$

El dibromuro de berilio es una molécula lineal, con un ángulo de enlace de 180º. Conviene señalar que el berilio se queda con cuatro electrones en la capa de valencia: es una de las excepciones clásicas a la regla del octeto, porque no tiene más electrones que aportar.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Tricloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{aluminio.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

Se repite el razonamiento con el aluminio, que aporta tres electrones de valencia.

$\mathrm{A}\mathrm{l}:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^1\Rightarrow 3e^{-}\text{ de valencia}$

$\mathrm{C}\mathrm{l}:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5\Rightarrow 7e^{-}\text{ de valencia}$

Los tres electrones del aluminio se comparten, uno con cada cloro, formando tres enlaces sencillos sin pares solitarios sobre el átomo central. Tres pares se reparten el plano en tres partes iguales.

$\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_3:\mathrm{A}{\mathrm{X}}_3\Rightarrow {120}^{\circ }\Rightarrow \text{geometr}\acute{\text{ı}}\text{a trigonal plana}$

El tricloruro de aluminio es una molécula trigonal plana, con ángulos de 120º. El aluminio queda con un sexteto en la capa de valencia, otra excepción al octeto, y es justamente esa deficiencia electrónica la que lo hace un ácido de Lewis tan usado como catalizador.



$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Tetracloruro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{silicio.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

El silicio aporta cuatro electrones de valencia y los comparte con cuatro cloros.

$\mathrm{S}\mathrm{i}:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^2\Rightarrow 4e^{-}\text{ de valencia}$

Se forman cuatro enlaces sencillos y no queda ningún par solitario. Cuatro pares ya no caben en un plano separándose al máximo: la disposición de mínima repulsión apunta a los vértices de un tetraedro.

$\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4:\mathrm{A}{\mathrm{X}}_4\Rightarrow {\mathrm{109,5}}^{\circ }\Rightarrow \text{geometr}\acute{\text{ı}}\text{a tetra}\acute{\text{e}}\text{drica}$

El tetracloruro de silicio es una molécula tetraédrica, con ángulos de 109,5º. A diferencia de las dos anteriores, aquí el átomo central sí completa el octeto.



Merece la pena notar que las tres moléculas son apolares por el mismo motivo: sus enlaces están polarizados, pero la geometría es tan simétrica que los momentos dipolares se cancelan al sumarlos.



En cada caso hay que identificar qué mantiene unidas las partículas del sólido o del líquido, porque es eso y solo eso lo que hay que vencer. En los cambios de estado nunca se rompen los enlaces internos de las moléculas.

Para fundir hielo hay que separar unas moléculas de agua de otras. La molécula es angular y polar, y además tiene hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo y pequeño con pares solitarios, de modo que entre ellas se establecen enlaces de hidrógeno.

$\text{a) hielo}\Rightarrow \text{enlaces de hidr}\acute{\text{o}}\text{geno (y, en menor medida, dipolo-dipolo)}$

Para hervir bromo hay que separar sus moléculas diatómicas. Al estar formada por dos átomos idénticos, la molécula es apolar y solo dispone de fuerzas de dispersión de London, que aquí son apreciables porque el bromo tiene muchos electrones y una nube muy polarizable.

$\text{b) bromo}\Rightarrow \text{fuerzas de dispersi}\acute{\text{o}}\text{n de London (dipolo instant}\acute{\text{a}}\text{neo-dipolo inducido)}$

Para fundir cloruro de sodio no hay moléculas que separar: es una red iónica, y hay que vencer las atracciones electrostáticas entre iones de signo contrario extendidas por todo el cristal.

$\text{c) cloruro de sodio}\Rightarrow \text{enlace i}\acute{\text{o}}\text{nico (atracci}\acute{\text{o}}\text{n electrost}\acute{\text{a}}\text{tica de la red)}$

El orden de energía que exige cada proceso es el inverso al de la lista: el más costoso es fundir el cloruro de sodio, con enlace iónico; le sigue el hielo, con enlaces de hidrógeno; y el más fácil es hervir el bromo, con simples fuerzas de dispersión. Se refleja en sus temperaturas: 801 ºC, 0 ºC y 59 ºC respectivamente, teniendo en cuenta que el bromo ya es líquido a temperatura ambiente.