Ejercicio resuelto de Enlace químico · Química · 2024

Cuestión 2.

Considere las siguientes moléculas: ${\text{BF}}_3$, ${\text{CF}}_4$ y ${\text{NF}}_3$. Responda a las siguientes cuestiones:

a) Dibuje la estructura electrónica de Lewis de cada una de las moléculas y deduzca su geometría. (0,9 puntos)
b) Ordene, justificadamente, las moléculas ${\text{BF}}_3$, ${\text{CF}}_4$, ${\text{NF}}_3$ por orden creciente de su ángulo de enlace. (0,5 puntos)
c) Discuta la polaridad de los enlaces de las tres moléculas, y deduzca si éstas tienen momento dipolar. (0,6 puntos)

Datos: números atómicos, $Z$: $B=5$; $C=6$; $N=7$; $F=9$.
Electronegatividades: $B=\mathrm{1,9}$; $C=\mathrm{2,4}$; $N=\mathrm{3,0}$; $F=\mathrm{4,0}$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Dibuje}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{estructura}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Lewis}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{culas}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{deduzca}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{geometr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a.}}\mathbf{\text{(0,9}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En los tres casos el flúor es el átomo terminal, con un solo enlace y tres pares no enlazantes. Lo que cambia es el átomo central.

$\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$: el boro tiene 3 electrones de valencia y los usa en tres enlaces, sin que le quede ningún par libre. Es una excepción al octeto: se queda con solo 6 electrones alrededor. Tres zonas de enlace y ningún par libre dan una geometría $\mathbf{\text{trigonal}}\mathbf{\text{plana}}$, con ángulos de 120°.

$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$: el carbono tiene 4 electrones de valencia, forma cuatro enlaces y tampoco le queda ningún par libre. Cuatro zonas de enlace: geometría $\mathbf{\text{tetra}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{drica}}$, con 109,5°.

$\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$: el nitrógeno tiene 5 electrones de valencia, emplea tres en los enlaces y $\mathbf{\text{le}}\mathbf{\text{sobra}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{par}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{enlazante}}$. Hay cuatro zonas en total alrededor del nitrógeno, así que los pares se disponen en tetraedro, pero la geometría $\mathbf{\text{molecular}}$, que solo mira dónde están los átomos, es una $\mathbf{\text{pir}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{mide}}\mathbf{\text{trigonal}}$.

${\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Ordene,}}\mathbf{\text{justificadamente,}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{culas}}\mathbf{\text{BF}}}_3{\mathbf{\text{,}}\mathbf{\text{CF}}}_4{\mathbf{\text{,}}\mathbf{\text{NF}}}_3\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{orden}}\mathbf{\text{creciente}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{su}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ngulo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{enlace.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El razonamiento tiene dos pasos. Primero, el ángulo de partida lo marca el número total de zonas alrededor del átomo central: con tres se parte de 120° y con cuatro, de 109,5°. Segundo, los pares no enlazantes ocupan más espacio que los enlazantes y comprimen los ángulos.

$\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$: tres zonas, ningún par libre. Ángulo de 120°.

$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$: cuatro zonas, ningún par libre. Ángulo de 109,5°.

$\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$: cuatro zonas, pero una de ellas es un par libre que comprime el ángulo por debajo de 109,5° (en torno a 102°).

$\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3<\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4<\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Discuta}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{polaridad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{tres}}\mathbf{\text{mol}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{culas,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{deduzca}}\mathbf{\text{si}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{stas}}\mathbf{\text{tienen}}\mathbf{\text{momento}}\mathbf{\text{dipolar.}}\mathbf{\text{(0,6}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Los $\mathbf{\text{enlaces}}$ son polares en las tres, y mucho: el flúor tiene una electronegatividad de 4,0, la mayor de todas, frente a 1,9 del boro, 2,4 del carbono y 3,0 del nitrógeno. En todos los casos el par compartido se desplaza hacia el flúor.

Pero que los enlaces sean polares no basta para que lo sea la molécula: hay que sumar los momentos dipolares como vectores.

$\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$: los tres enlaces son idénticos y están a 120° en un plano, apuntando hacia fuera desde el boro. Su suma vectorial es nula: $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{momento}}\mathbf{\text{dipolar}}$, es apolar.

$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_4$: los cuatro enlaces son idénticos y el tetraedro es simétrico, así que también se cancelan: $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{momento}}\mathbf{\text{dipolar}}$, es apolar.

$\mathrm{N}{\mathrm{F}}_3$: aquí la simetría se rompe, porque en lugar del cuarto enlace hay un par no enlazante. Los tres momentos no se anulan y $\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{hay}}\mathbf{\text{momento}}\mathbf{\text{dipolar}}\mathbf{\text{neto}}$: la molécula es polar.

El contraste entre las dos primeras y la tercera es justamente lo que se pregunta: la polaridad de una molécula depende tanto de la de sus enlaces como de su geometría.