Geometría molecular, hibridación y polaridad
Si usted acerca una regla de plástico cargada a un hilo fino de agua de la llave, el chorro se desvía hacia ella. Si hace lo mismo con tetracloruro de carbono, no pasa nada, aunque sus enlaces son muy polares. ¿Qué tiene que ver la forma de una molécula con que sienta o no un campo eléctrico? Para responderlo hay que empezar por saber cómo se ubican los átomos en el espacio.
El modelo RPECV: pares de enlace y pares libres
Un dato experimental: el $\mathrm{BeF_2}$ gaseoso es una molécula rectilínea ($180^\circ$) y el $\mathrm{BF_3}$ forma un triángulo plano equilátero ($120^\circ$). ¿Qué regla determina a qué distancia quedan los enlaces entre sí?
Esta teoría ya la conoce de décimo año; aquí la usamos junto con la hibridación, que es un modelo complementario: la RPECV predice la forma y la hibridación explica con qué orbitales se forman los enlaces.
| Regiones | Pares libres | Notación | Geometría molecular | Ángulo ideal |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 0 | $\mathrm{AX_2}$ | lineal | $180^\circ$ |
| 3 | 0 | $\mathrm{AX_3}$ | trigonal plana | $120^\circ$ |
| 4 | 0 | $\mathrm{AX_4}$ | tetraédrica | $109{,}5^\circ$ |
| 4 | 1 | $\mathrm{AX_3E}$ | pirámide trigonal | $< 109{,}5^\circ$ |
| 4 | 2 | $\mathrm{AX_2E_2}$ | angular | $< 109{,}5^\circ$ |
Los pares libres también ocupan lugar
Hibridación de orbitales atómicos
El carbono en estado fundamental es $1s^2\,2s^2\,2p^2$: solo tiene dos electrones desapareados, que ocuparían orbitales $p$ a $90^\circ$. Sin embargo, en el metano forma cuatro enlaces idénticos a $109{,}5^\circ$. ¿Cómo se explica?
En el carbono del metano, un electrón del $2s$ se promueve al $2p$ y los cuatro orbitales (uno $s$ y tres $p$) se mezclan en cuatro orbitales $sp^3$ iguales, cada uno con un electrón. Cada uno se solapa con el orbital $1s$ de un hidrógeno.
Enlaces σ y π
| Molécula | Enlace C–C | Hibridación | Longitud C–C | Energía de enlace C–C |
|---|---|---|---|---|
| Etano | simple (σ) | $sp^3$ | 154 pm | $\approx 350\ \mathrm{kJ/mol}$ |
| Eteno | doble (σ + π) | $sp^2$ | 134 pm | $\approx 610\ \mathrm{kJ/mol}$ |
| Etino | triple (σ + 2π) | $sp$ | 120 pm | $\approx 840\ \mathrm{kJ/mol}$ |
Más enlaces entre los carbonos significa un enlace más corto y más energético. Fíjese, sin embargo, en que el segundo enlace agrega menos energía que el primero ($610 - 350 \approx 260\ \mathrm{kJ/mol}$ para el π del eteno): eso muestra que el π es más débil que el σ.
El benceno: un sistema π deslocalizado
El átomo de carbono en el metano, $\mathrm{CH_4}$, forma cuatro enlaces idénticos dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular, con ángulos de enlace de…
El átomo de carbono en el metano, $\mathrm{CH_4}$, forma cuatro enlaces idénticos dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular, con ángulos de enlace de $109,5^\circ$. Datos: $Z(\mathrm{C}) = 6$ (configuración fundamental: $1s^2\,2s^2\,2p^2$), $Z(\mathrm{H}) = 1$.
- a) Explique el modelo de enlace de valencia e hibridación empleado para justificar los cuatro enlaces equivalentes.
- b) Indique el tipo de solapamiento que da lugar a los enlaces $\sigma$ y aclare brevemente por qué la hibridación es un modelo operativo y no un estado cuántico observable.
Considere los hidrocarburos eteno, $\mathrm{C_2H_4}$, y etino, $\mathrm{C_2H_2}$. Los números atómicos son $Z(\mathrm{C}) = 6$ y $Z(\mathrm{H}) = 1$. a) Describa el tipo…
Considere los hidrocarburos eteno, $\mathrm{C_2H_4}$, y etino, $\mathrm{C_2H_2}$. Los números atómicos son $Z(\mathrm{C}) = 6$ y $Z(\mathrm{H}) = 1$.
- a) Describa el tipo de hibridación que presenta el átomo de carbono en cada hidrocarburo, indicando la orientación geométrica de los orbitales híbridos y el número de orbitales atómicos $p$ puros que quedan sin hibridar.
- b) Cuantifique razonadamente el número total de enlaces de tipo $\sigma$ y de tipo $\pi$ presentes en cada molécula, señalando qué orbitales se solapan para formar cada uno.
Polaridad molecular: suma vectorial de dipolos
Esto importa más adelante: una molécula polar se disuelve en disolventes polares y tiene mayores interacciones entre sus moléculas; una apolar, no.
Ángulos desviados y comparaciones finas
Algunos casos necesitan mirar más de cerca: ángulos que no son los ideales y polaridades que dependen de la dirección de cada dipolo.
Enlaces dobles y ángulos
Isómeros cis y trans
El 1,2-dicloroeteno, $\mathrm{C_2H_2Cl_2}$, se presenta en dos formas estereoisoméricas estables a temperatura ambiente: el isómero cis y el isómero trans. Datos:…
El 1,2-dicloroeteno, $\mathrm{C_2H_2Cl_2}$, se presenta en dos formas estereoisoméricas estables a temperatura ambiente: el isómero cis y el isómero trans. Datos: $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{Cl}) = 17$. Puntos de ebullición normales experimentales: sustancia A ($60,3\,^\circ\mathrm{C}$), sustancia B ($47,5\,^\circ\mathrm{C}$).
- a) Describa la hibridación de los átomos de carbono, los enlaces que conforman el doble enlace y justifique por qué ambos isómeros son separables a temperatura ordinaria.
- b) Represente vectorialmente los momentos dipolares de enlace en cada isómero, identifique justificadamente cuál es el cis y cuál el trans a partir de sus temperaturas de ebullición y explique la causa de la diferencia física observada.