EJERCICIOS DE ENLACE. a) Amoniaco. b) Tricloruro de boro. c) Metano.

Transcripción

1 EJERCICIOS DE ENLACE 1. Deduzca, según la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia, la geometría de las siguientes moléculas e indique la polaridad de las mismas: a) Amoniaco. b) Tricloruro de boro. c) Metano. La teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia indica que los pares de electrones (enlazantes y no enlazantes) de la capa de valencia del átomo central se disponen en el espacio de forma que la repulsión electrostática entre las cargas eléctricas negativas de los mismos sea lo más pequeña posible; es decir, que se sitúen lo más separados posible. Según sea el número total de pares de electrones en dicha Capa de Valencia, así será la distribución espacial de los mismos. a) Amoniaco. En la molécula de amoníaco el átomo central es el de Nitrógeno y en su capa de valencia tiene cuatro pares de electrones; de estos, tres son pares de electrones enlazantes (uno con cada uno de los átomos de hidrógeno) y el cuarto es un par de electrones no enlazante. Por tanto, la distribución espacial de los pares de electrones es tetraédrica. Como uno de estos pares de electrones no está enlazado con ningún átomo, entonces la geometría de la molécula es pirámide trigonal. Los tres átomos de hidrógeno se encuentran en el mismo plano y el átomo de nitrógeno está en un punto por encima del centro de dicho triangulo formando una pirámide de base triangular. El ángulo de enlace H-N-H es de 107,8 º, ligeramente menor que el ángulo del tetraedro, ya que la repulsión entre ParEnlazante-ParNoEnlazante es mayor que entre ParEnlazante-ParEnlazante y por esto el ángulo se cierra un poquito. La electronegatividad es mayor en el nitrógeno, y por tanto, la capacidad de este átomo para atraer hacia él los electrones enlazantes es mayor que en el caso del hidrógeno. La geometría de la molécula no anula la desigualdad de cargas eléctricas en la misma. El amoniaco es por tanto, una molécula polar. b) Tricloruro de boro. En la molécula de tricloruro de boro el átomo central es el de Boro y en su capa de valencia tiene tres pares de electrones; los tres son pares de electrones enlazantes (uno con cada uno de los átomos de cloro). Por tanto, la distribución espacial de los pares de electrones es triangular plana. Como no hay ningún par de electrones no enlazante, entonces la geometría de la molécula es triangular plana.

2 El ángulo de enlace es de 120 º y todos los átomos están situados en el mismo plano estando el de Boro en el centro de un triángulo equilátero y los de cloro en los tres vértices. La molécula de tricloruro de boro es apolar, ya que, aunque los 3 enlaces entre el boro y los átomos de cloro son polares, la geometría de la molécula anula la diferencia de cargas eléctricas en la misma. c) Metano. En la molécula de metano el átomo central es el de Carbono y en su capa de valencia tiene cuatro pares de electrones; los cuatro son pares de electrones enlazantes (uno con cada uno de los átomos de hidrógeno). Por tanto, la distribución espacial de los pares de electrones es tetraédrica. Como no hay ningún par de electrones no enlazante, entonces la geometría de la molécula es tetraédrica. Los cuatro átomos de hidrógeno se encuentran en los vértices de un tetraedro y el átomo de carbono se encuentra en el centro. La distribución es muy simétrica y los ángulos de enlace H-C-H son de 109º (ángulo del tetraedro regular). 2. Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) Algunas moléculas covalentes son polares. b) Los compuestos iónicos, cuando están fundidos o en disolución, son buenos conductores de la electricidad. c) El agua tiene el punto de ebullición más elevado que el resto de los hidruros de los elementos del grupo 16. a) Algunas moléculas covalentes son polares. Esto es cierto; por ejemplo, el agua es una molécula covalente y es polar porque los enlaces dos O-H son polares y estan colocados en el espacio de forma que no se contrarrestan entre sí sino que dan lugar a un momento dipolar total para la molécula distinto de cero. Así, la molécula es polar es decir tiene una distribución de cargas que no es simétrica y hay una zona positiva y una zona opuesta negativa. b) Los compuestos iónicos, cuando están fundidos o en disolución, son buenos conductores de la electricidad.

3 Esto es cierto porque los compuestos iónicos, fundidos o en disolución, presentan iones positivos y negativos que puede moverse libremente y esto es lo que hace que sean conductores de la electricidad. c) El agua tiene el punto de ebullición más elevado que el resto de los hidruros de los elementos del grupo 16. Esto es cierto, y es así porque entre las moléculas de agua se da un enlace de hidrógeno que no se puede dar en el resto de hidruros del grupo 16. El enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua hace que sea más difícil separar estas moléculas cuando están en estado líquido para pasar a estado gaseoso lo que viene dado por un mayor punto de ebullición. En el resto de hidruros del grupo 16 este enlace no es posible porque los átomos de S, Se, Te son de mayor tamaño que el átomo de O y las moléculas no pueden aproximarse lo sufienciente como para que se pueda producir este tipo de unión o enlace especial entre el O y el H (de otra molécula). 3. Indique, razonadamente, cuántos enlaces π y cuántos σ tienen las siguientes moléculas: a) Hidrógeno. b) Nitrógeno. c) Oxígeno. Un enlace σ es aquel en el que el solapamiento de los orbitales atómicos que se unen se produce en la misma dirección que une los centros de los átomos que se enlazan. Por el contrario, en un enlace π las zonas de los orbitales atómicos que se solapan se encuentran por encima y por debajo (o delante y detrás) de la línea que une los centros de los átomos. Por esto, un enlace sencillo será siempre un enlace de tipo σ; un enlace doble está formado por un enlace σ y un enlace π; por último, un enlace triple contiene un enlace de tipo σ y dos enlaces de tipo π. a) hidrógeno: H-H, un enlace sencillo, un enlace σ b) nitrógeno: N tripleenlace N, un enlace triple, un enlace σ y dos enlaces π c) oxígeno: O=O, un enlace doble, un enlace σ y un enlace π 4. Indique qué tipo de enlace hay que romper para: a) Fundir cloruro de sodio. b) Vaporizar agua. c) Vaporizar n-hexano. a) Fundir cloruro de sodio. El cloruro de sodio es una sustancia sólida (en condiciones estándar) iónica y por tanto está constituida por una red cristalina en la que se unen por fuerzas eléctricas los iones positivos Na + y los iones negativos Cl - Para fundir esta sustancia (paso de sólido a líquido) hay que romper estos enlaces entre iones que denominados enlace iónico. b) Vaporizar agua. El agua líquida es una sustancia formada por moléculas H 2 O que se encuentran unidas entre sí mediante enlace de hidrógeno, se trata de un enlace entre el hidrógeno de una molécula y el oxígeno de una molécula contigua, es decir es un enlace intermolecular. Para vaporizar agua (pasar de líquido a gas) hay que romper estos enlaces de hidrógeno (enlaces intermoleculares.

4 c) Vaporizar n-hexano. El n-hexano es una sustancia líquida (en condiciones estándar) que está formada por moléculas C6H12 que se unen entre sí mediante enlace intermolecular denominado "fuerzas de Van der Walls"; este es el enlace que hay que romper para vaporizar (pasar de líquido a gas) esta sustancia. 5. Para las moléculas de tetracloruro de carbono y agua: a) Prediga su geometría mediante la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia. b) Indique la hibridación del átomo central. c) Justifique si esas moléculas son polares o apolares. La teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia indica que los pares de electrones (enlazantes y no enlazantes) de la capa de valencia del átomo central se disponen en el espacio de forma que la repulsión electrostática entre las cargas eléctricas negativas de los mismos sea lo más pequeña posible; es decir, que se sitúen lo más separados posible. Según sea el número total de pares de electrones en dicha Capa de Valencia, así será la distribución espacial de los mismos. TETRACLORURO DE CARBONO a) Prediga su geometría mediante la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia. En la molécula de CCl4 el átomo central es el de Carbono y en su capa de valencia tiene cuatro pares de electrones; los cuatro son pares de electrones enlazantes (uno con cada uno de los átomos de cloro). Por tanto, la distribución espacial de los pares de electrones es tetraédrica. Como no hay ningún par de electrones no enlazante, entonces la geometría de la molécula es tetraédrica y coincide con la distribución espacial de los pares de electrones. Los cuatro átomos de cloro se encuentran en los vértices de un tetraedro y el átomo de carbono se encuentra en el centro. La distribución es muy simétrica y los ángulos de enlace Cl-C-Cl son de 109º (ángulo del tetraedro regular). b) Indique la hibridación del átomo central. Para poder justificar el ángulo de enlace de 109º correspondiente a un tetraedro en esta sustancia, hay que recurrir al modelo de hibridación de orbitales atómicos en el átomo central. En este caso, los tres orbitales p y el orbital s del nivel 2 del átomo de carbono se hibridan entre sí para dar lugar a cuatro orbitales híbridos denominados sp3 que se encuentran dirigidos, espacialmente, hacia los vértices de un tetraedro estando el núcleo del átomo de carbono en el centro de esta figura.

5 c) Justifique si esas moléculas son polares o apolares. El enlace Cl-C es polar, con la parte negativa en el cloro y la parte positiva en el carbono; sin embargo, debido a la simetría de la distribución espacial de los cuatro enlaces polares Cl-C, el resultado final o el valor total del momento dipolar de la molécula es cero ya que se anulan entre sí o contrarrestan dichos momentos dipolares. La molécula es por tanto APOLAR, no presenta dipolo eléctrico. AGUA a) Prediga su geometría mediante la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia. En la molécula de H 2 O el átomo central es el de oxígeno y en su capa de valencia tiene cuatro pares de electrones; de estos cuatro pares, dos son pares de electrones enlazantes (uno con cada uno de los átomos de hidrógeno) y otros dos son no enlazantes (pares de electrones libres). Por tanto, la distribución espacial de los pares de electrones es tetraédrica. Como hay dos pares de electrones no enlazantes y dos enlazantes, entonces la geometría de la molécula es angular. Los dos átomos de hidrógeno se encuentran en los vértices de un tetraedro y el átomo de oxígeno se encuentra en el centro. En los otros dos vértices del tetraedro se encuentran los dos pares de electrones no enlazantes. Por eso, aunque la distribución electrónica es tetraédrica, la geometría de la molécula es angular. El ángulo de 104º, ligeramente menor que el que corresponde a un tetraedro 109º, se debe a que la repulsión entre los dos PNE es un poquito mayor que la repulsión entre PE-PNE y el ángulo entre los pares de electrones no enlazantes se abre mientras que el ángulo de enlace H-O-H se cierra un poquito. b) Indique la hibridación del átomo central. Para poder justificar el ángulo de enlace de 104º (ligeramente inferior al correspondiente a un tetraedro) en esta sustancia, hay que recurrir al modelo de hibricación de orbitales atómicos en el átomo central. En este caso, los tres orbitales p y el orbital s del nivel 2 del átomo de oxígeno se hibridan entre sí para dar lugar a cuatro orbitales híbridos denominados sp3 que se encuentran dirigidos, espacialmente, hacia los vértices de un tetraedro estando el núcleo del átomo de carbono en el centro de esta figura. Dos de estos orbitales se utilizan para enlazar con los átomos de hidrógeno y los otros dos se utilizan para alojar a los pares de electrones no enlazantes. c) Justifique si esas moléculas son polares o apolares. El enlace H-O es polar, con la parte negativa en el oxígeno y la parte positiva en el hidrógeno; la molécula de agua presenta dos enlaces polares H-O de forma que la suma del momento dipolar de estos enlaces es distinta de cero ya que formará entre sí un ángulo determinado. Por tanto la molécula de agua es POLAR, es decir tiene un

6 momento dipolar total distinto de cero y por tanto tiene la carga eléctrica distribuida de forma no simétrica, tiene una zona con carga negativa (la zona del oxígeno) y una zona con carga positiva (la zona del hidrógeno). 6. Dadas las moléculas de BF 3 y H 2 O: a) Determine la geometría de cada una mediante la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia. La TRPECV explica la distribución de los electrones en el espacio de manera que haya una menor repulsión entre los electrones de valencia. BF 3 Su distribución electrónica será triangular plana y la geometría será la misma, triangular plana, de manera que forman un triángulo equilátero en el que el boro estaría en medio y los vértices serían los tres átomos de flúor. El ángulo de enlace sería de 120º. Esto es debido a que el boro tiene tres electrones en su capa de valencia y el flúor tiene siete. De esta forma, tres átomos de flúor se enlazan con un átomo de boro(cada electrón de valencia del boro con un flúor) por lo que los electrones de valencia del boro están enlazados. Al estar todos enlazados, la distribución de los electrones en el espacio en la que se produce una menor repulsión de electrones de valencia es la triangular plana. La geometría molecular deriva de ésta y como no hay ningún electrón de valencia del boro sin enlazar pues dicha geometría coincide con la distribución electrónica. H 2 O Su distribución electrónica en el espacio será tetraédrica y su geometría molecular será angular, formando un triángulo en el que un vértice es el oxígeno y los otros dos vértices son cada uno de los hidrógenos. Esto es debido a que el oxígeno tiene seis electrones en su capa de valencia y el hidrógeno tiene uno. Dos átomos de hidrógeno se enlazan con el oxígeno. El oxígeno posee dos pares de electrones compartidos (uno con cada átomo de hidrógeno) y otros dos pares de electrones sin enlazar, por lo que la distribución de los electrones en el espacio en la que se produce una menor repulsión entre los electrones de valencia es la tetraédrica. La geometría de la molécula deriva de la distribución electrónica y como hay dos pares de electrones de valencia del oxígeno sin enlazar, dicha geometría es angular. El ángulo de enlace es de 104,5º ya que se produce una mayor repulsión entre los electrones no enlazados que los enlazados y hace que el ángulo se contraiga. b) Razone si los enlaces son polares. H 2 O: El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, por tanto aparece un dipolo por cada enlace H-O. Estos enlaces no están situados en línea recta, sino que forman un ángulo, concretamente de 104,5 grados, por lo que ambos dipolos no se compensan y el agua presenta un momento dipolar. BF 3 : En este caso, nos encontramos con tres dipolos correspondientes a los 3 enlaces B-F. Dado que la molécula es triangular el vector momento dipolar resultante es nulo, esto hace que la molécula sea apolar.

7 c) Justifique si las moléculas son polares. El BF 3 es una molécula apolar. No tiene ningún momento dipolar debido a que los vectores que representan el momento dipolar de cada enlace son iguales y hacia fuera (hacia el F). La molécula de H 2 O es polar debido a que el átomo de oxigeno se une con dos de hidrogeno por enlaces polares. Como el átomo de oxigeno es mas electronegativo que los de hidrógeno en el lado del oxigeno se sitúa la zona negativa en el lado de los hidrógenos la positiva. Al tener la molécula una geometría angular, los vectores que representan el momento bipolar no se anulan por lo que el momento dipolar es distinto de Explique: a) Por qué el cloruro de hidrógeno disuelto en agua conduce la corriente eléctrica. Porque se trata de dos elementos que tienen una diferenciada electronegatividad, los electrones compartidos estarán más atraídos por el átomo de cloro, que es el más electronegativo. Dando como resultado un predominio de carga negativa sobre este, y un predominio de carga positiva sobre el menos electronegativo, en este caso el hidrógeno. Se dice entonces que el enlace tiene un cierto carácter iónico, lo que da lugar a que disuelto en agua, la sustancia se disocia, y estas "cargas" se encuentren en movimiento, lo necesario para conducir la electricidad. b) La poca reactividad de los gases nobles. Por la teoría de Lewis todos los elementos buscan ser estables completando a ocho electrones en el último nivel, por tanto buscan otros átomos con los que enlazarse. Los gases nobles ya tienen los ocho electrones en su última capa. Son los más estables de la tabla periódica y por tanto tienden a reaccionar difícilmente con otros elementos. La excepción es el helio ya que tiene solo dos electrones. Hablamos de baja reactividad porque realmente si participan en algunas reacciones químicas. El xenón por ejemplo reacciona espontáneamente con el flúor y a partir de los compuestos resultantes se han alcanzado otros. 8. Explica todo lo que sepas de la molécula de dicloruro de berilio La TRPECV explica a partir de las repulsiones culombianas entre cargas del mismo signo, cómo los distintos átomos de una molécula o de un ion poliatómico se distribuyen en el espacio. Según ella, todos los electrones que se encuentran alrededor del átomo central, se distribuyen alrededor del átomo central hasta alcanzar la máxima separación entre ellos; así, las repulsiones se minimizan, y se obtiene una distribución con menor contenido energético. Según esta teoría, el cloruro de berilio presenta una distribución electrónica lineal y, la misma geometría y posee un ángulo de enlace de 180º. Presenta dos pares de electrones enlazantes y en cada cloro tres pares de electrones sin enlazar, es decir seis pares de electrones no enlazantes. El átomo central, es decir, el berilio, presenta una hibridación del tipo sp, ya que los datos experimentales indican que el ángulo de enlace Cl-Be-Cl es de 180º, y que las distancias de enlace Cl-Be son iguales para ambos enlaces, entonces, para justificar estos resultados, el berilio debe formar dos enlaces covalentes, al promocionar un electrón desde el subnivel de energía 2s al 2p. Los orbitales 2s y 2p se combinan para formar dos orbitales híbridos equivalentes.

8 El cloruro de berilio es una molécula apolar ya que se anulan los momentos dipolares de la molécula, la suma de sus vectores es cero. 9. Por qué a temperatura ambiente el agua (H 2 O) es líquida mientras que el sulfuro de hidrógeno (H 2 S), de mayor masa molecular, es gaseoso? Las dos moléculas son dipolares, siendo el O y el S más electronegativos que el H atrayendo los electrones. Pero la diferencia está precisamente en la masa del O y del S. El agua tiene el punto de ebullición tan elevado debido a los puentes de hidrógeno que se crean entre hidrógenos y átomos muy electronegativos y de pequeño tamaño, es decir, masa pequeña (F, O y N), estos enlaces son relativamente fuertes. En cambio las fuerzas intermoleculares entre H 2 S son del tipo dipolo-dipolo, ya que el azufre es demasiado grande como para formar enlaces por puentes de hidrógeno. Estos últimos son más débiles y necesitan menos energía para romperse, así el sulfuro de hidrógeno tiene un temperatura de ebullición de -61ºC. 10. Supongamos que los sólidos cristalinos CsBr, NaBr y KBr cristalizan con el mismo tipo de red. a) Ordénelos de mayor a menor según su energía reticular. Razone la respuesta. La energía reticular está relacionada con las fuerzas de unión que existen entre las partículas. Podemos establecer que la energía reticular directamente proporcional al producto de las cargas de los iones e inversamente proporcional al radio. En definitiva, la energía de red es mayor cuanto mayor es la carga de los iones de la estructura cristalina y si tienen la misma carga, cuanto más pequeños son los iones de tamaño. Como las tres sustancias están formadas por iones que tienen la misma carga, las diferencias en su energía reticular dependerán del tamaño de los iones. Puesto que el ion bromuro es común a todas ellas, dependerá exclusivamente del catión. El catión más grande será el de cesio, seguido del de potasio y por último del de sodio (que tiene una capa menos que el potasio). Como a mayor distancia, menor energía reticular y por tanto menor dureza, el orden pedido será: (NaBr) > dureza (KBr) > dureza (CsBr) b) Justifique cuál de ellos será menos soluble. A mayor energía reticular, más difícil es disolverlo, por lo tanto el menos soluble de todos es el NaBr