Estructuras de Lewis, resonancia y carga formal
Cuando tu catedrático de Química escribe en el pizarrón la fórmula $\mathrm{CO_2}$, esa fórmula te dice qué átomos hay, pero no cómo se reparten los electrones entre ellos. La estructura de Lewis es el primer mapa de esa distribución: puntos y rayas que, bien construidos, predicen enlaces, pares solitarios y hasta cómo se va a comportar la sustancia. Piensa en el CO₂ que sale del cilindro de gas propano de tu estufa o del volcán de Fuego: aquí aprenderás a dibujar cómo se reparten sus electrones y lo llevaremos más lejos.
Electrones de valencia y regla del octeto
Los gases nobles casi no forman compuestos, mientras que los demás elementos ganan, pierden o comparten electrones hasta lograr una configuración externa parecida a la de ellos. ¿Cuántos electrones necesita un átomo en su capa de valencia para quedar «conforme»?
Para saber cuántos electrones de valencia tiene un átomo, escribe su configuración electrónica y cuenta los del último nivel (los de $s$ y $p$ con el mayor $n$). Por ejemplo, el carbono ($Z = 6$) es $1s^2\,2s^2\,2p^2$: su capa de valencia es $2s^2\,2p^2$, o sea $4$ electrones. El nitrógeno ($Z = 7$) es $1s^2\,2s^2\,2p^3$: capa de valencia $2s^2\,2p^3$, $5$ electrones. Sumando los electrones de valencia de todos los átomos obtienes el total que debes repartir en la estructura de Lewis.
Considera las moléculas neutras de agua ($\mathrm{H_2O}$) y amoníaco ($\mathrm{NH_3}$). Datos: números atómicos $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{N}) = 7$,…
Considera las moléculas neutras de agua ($\mathrm{H_2O}$) y amoníaco ($\mathrm{NH_3}$). Datos: números atómicos $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{O}) = 8$.
- a) Determina el número total de electrones de valencia presentes en cada molécula y representa sus diagramas de Lewis correspondientes.
- b) Indica razonadamente cuántos pares de electrones enlazantes y cuántos pares no enlazantes (solitarios) posee el átomo central en cada una de ellas, justificando si se cumplen las reglas del octeto y del dueto.
Cómo construir una estructura de Lewis
La molécula de dióxido de carbono ($\mathrm{CO_2}$) desempeña un papel esencial en el equilibrio climático y en la respiración celular. Datos: números atómicos…
La molécula de dióxido de carbono ($\mathrm{CO_2}$) desempeña un papel esencial en el equilibrio climático y en la respiración celular. Datos: números atómicos $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{O}) = 8$.
- a) Escribe las configuraciones electrónicas de la capa de valencia para el carbono y el oxígeno, deduciendo el número total de electrones que deben distribuirse en la estructura de Lewis del $\mathrm{CO_2}$.
- b) Dibuja la estructura de Lewis del $\mathrm{CO_2}$ situando el carbono como átomo central, especifica el orden de los enlaces carbono-oxígeno y comprueba si todos los átomos satisfacen la regla del octeto.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Resonancia: el caso del benceno
El benceno, $\mathrm{C_6H_6}$, es la base de muchísimos compuestos orgánicos (aromas, medicamentos, plásticos como el poliestireno), y está presente en la gasolina que echan los carros en Guatemala. Si dibujas su anillo con enlaces dobles y simples alternados, aparece un problema: hay dos maneras de alternarlos. ¿Cuál es la correcta?
Experimentalmente, los seis enlaces C–C del benceno miden lo mismo: unos $139\ \text{pm}$, entre un enlace simple ($154\ \text{pm}$) y uno doble ($134\ \text{pm}$). Cada enlace tiene un orden de enlace promedio de $1.5$. Los electrones de los «dobles enlaces» están deslocalizados sobre todo el anillo, y por eso el benceno es mucho más estable de lo que sugeriría un ciclohexatrieno con enlaces localizados. A esa estabilidad extra se la llama estabilidad por resonancia. La explicación con orbitales $\pi$ deslocalizados queda fuera de este curso.
En disolución acuosa, los carbonatos solubles liberan el anión poliatómico $\mathrm{CO_3^{2-}}$. Datos: números atómicos $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{O}) = 8$. En el…
En disolución acuosa, los carbonatos solubles liberan el anión poliatómico $\mathrm{CO_3^{2-}}$. Datos: números atómicos $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{O}) = 8$. En el siguiente diagrama se muestra el esqueleto nuclear básico de dicha especie:
a) Completa en papel la estructura de Lewis para el ion $\mathrm{CO_3^{2-}}$ distribuyendo los $24$ electrones de valencia totales y dibuja las tres estructuras resonantes equivalentes.
- b) Calcula la carga formal de cada átomo en una de las estructuras resonantes y explica brevemente por qué la resonancia no consiste en una oscilación física real entre enlaces simples y dobles.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Carga formal
A veces se pueden proponer varias estructuras de Lewis distintas, no equivalentes, en las que todos los átomos cumplen el octeto. Por ejemplo, para el ion cianato $\mathrm{OCN^-}$. ¿Cómo decidimos cuál se parece más a la realidad?
El catión amonio ($\mathrm{NH_4^+}$) se forma cuando el amoníaco neutro reacciona con un ion hidrógeno ($\mathrm{H^+}$). Datos: números atómicos $Z(\mathrm{H}) = 1$,…
El catión amonio ($\mathrm{NH_4^+}$) se forma cuando el amoníaco neutro reacciona con un ion hidrógeno ($\mathrm{H^+}$). Datos: números atómicos $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{N}) = 7$.
- a) Dibuja la estructura de Lewis del catión $\mathrm{NH_4^+}$, identifica el tipo de enlace mediante el cual se incorpora el protón adicional y justifica si los cuatro enlaces $\mathrm{N\text{--}H}$ en el catión resultante son indistinguibles.
- b) Calcula la carga formal del átomo de nitrógeno y de cada átomo de hidrógeno en el ion $\mathrm{NH_4^+}$, comparándola con la carga formal que presenta el nitrógeno en la molécula de $\mathrm{NH_3}$.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
El anión cianato ($\mathrm{OCN^-}$) es una especie lineal cuyo esqueleto nuclear sitúa al carbono como átomo central: $\mathrm{[O\text{--}C\text{--}N]^-}$. Datos:…
El anión cianato ($\mathrm{OCN^-}$) es una especie lineal cuyo esqueleto nuclear sitúa al carbono como átomo central: $\mathrm{[O\text{--}C\text{--}N]^-}$. Datos: números atómicos $Z(\mathrm{C}) = 6$, $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{O}) = 8$; electronegatividades de Pauling: $\chi(\mathrm{C}) = 2.55$, $\chi(\mathrm{N}) = 3.04$, $\chi(\mathrm{O}) = 3.44$.
- a) Dibuja tres estructuras de Lewis resonantes no equivalentes para el ion $\mathrm{OCN^-}$ en las que todos los átomos completen el octeto.
- b) Calcula las cargas formales de cada átomo en las tres estructuras y razona cuál de ellas aporta la mayor contribución al híbrido de resonancia, así como cuál resulta ser la menos favorable.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Hipovalencia y enlace dativo
El trifluoruro de boro ($\mathrm{BF_3}$) es una molécula neutra y estable con tres enlaces idénticos, aunque el boro tiene solo seis electrones a su alrededor. ¿Por qué hay compuestos estables que no completan el octeto?
El trifluoruro de boro ($\mathrm{BF_3}$) es un reactivo gaseoso empleado frecuentemente como catalizador en síntesis orgánica. Datos: números atómicos…
El trifluoruro de boro ($\mathrm{BF_3}$) es un reactivo gaseoso empleado frecuentemente como catalizador en síntesis orgánica. Datos: números atómicos $Z(\mathrm{B}) = 5$, $Z(\mathrm{F}) = 9$.
- a) Dibuja la estructura de Lewis del $\mathrm{BF_3}$ en la que los tres átomos de flúor forman enlaces simples con el átomo de boro central y completan sus respectivos octetos.
- b) Justifica por qué el átomo central de boro constituye una excepción a la regla del octeto (hipovalencia) e indica el número de pares enlazantes y no enlazantes que posee dicho átomo.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
La marcada hipovalencia del trifluoruro de boro le confiere una elevada afinidad por bases de Lewis. Al reaccionar $\mathrm{BF_3}$ con amoníaco gas ($\mathrm{NH_3}$) se…
La marcada hipovalencia del trifluoruro de boro le confiere una elevada afinidad por bases de Lewis. Al reaccionar $\mathrm{BF_3}$ con amoníaco gas ($\mathrm{NH_3}$) se sintetiza el aducto sólido de adición $\mathrm{F_3B\text{--}NH_3}$. Datos: números atómicos $Z(\mathrm{H}) = 1$, $Z(\mathrm{B}) = 5$, $Z(\mathrm{N}) = 7$, $Z(\mathrm{F}) = 9$.
- a) Representa las estructuras de Lewis de los dos reactivos individuales y del aducto $\mathrm{F_3B\text{--}NH_3}$, especificando cuál es el átomo dador y cuál el aceptor en la formación del enlace boro-nitrógeno.
- b) Calcula las cargas formales del boro y del nitrógeno en los reactivos aislados y en el producto final. A partir de los resultados, razona cómo se modifica el cumplimiento de la regla del octeto para el boro tras la reacción.