Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. Geometría Molecular. La disposición espacial que adoptan las moléculas no es antojadiza. Ciertamente, la estabilidad de un sistema molecular y macromolecular está dada, en gran parte por la forma en la cual se establecen los enlaces y las interacciones moleculares. Esta estructura espacial de las moléculas se denomina Geometría Molecular y tiene importantes efectos en las propiedades físicas y químicas del compuesto, como son la polaridad, reactividad, actividad farmacológica, entre otros. El enlace iónico surge como una atracción solamente electrostática entre iones de cargas opuestas. La formación de una red cristalina es la resultante de un balance de fuerzas atractivas y repulsivas de los iones. Si el cristal es sometido a tensiones o es fundido pierde su ordenamiento. En una molécula covalente el conjunto de los enlaces le dan una geometría determinada a la molécula, que se mantiene sin grandes variaciones, aún cuando se someta al compuesto a cambios de estado. A partir de 1957 R.J. Gillespie y R.S. Nyholm desarrollaron un modelo basado en el criterio electrostático. Esta teoría establece lo siguiente: “Los pares de electrones de valencia en torno a un átomo, se ubican en las posiciones más extremas que hacen mínimas las repulsiones” (Modelo RPENV). Cabe recordar que los electrones se repelen por simple ley de cargas iguales. Determinación de Geometrías moleculares. Para reconocer la geometría molecular se pueden seguir los siguientes pasos: 1. 2. 3. 4. 5. Determinar la estructura de Lewis de la molécula. Determinar el número total de pares de electrones no enlazantes (pares alrededor del átomo central que no están unidos a otro átomo). Determinar el número total de pares de electrones enlazantes (pares alrededor del átomo central que están unidos a otro átomo). Considerar cada enlace múltiple (doble y triple) como un par de electrones enlazantes. Determinar la geometría según la Tabla, en base a los pares enlazantes y no enlazantes. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Demostración de estructura de Lewis con sus pares de electrones respectivos. Actividad 1: Investigar otros tipos de geometría molecular, aparte de los anotados en la tabla adjunta a la guía. Establecer geometría, ángulos de separación, tipos de moléculas, etc. Página 1 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. Para entender mejor la relación que existe entre las distintas geometrías moleculares utilizaremos modelos en donde se muestre trazos con un par de puntos cada uno, que representan los orbitales con sus pares de electrones, utilizaremos la siguiente notación para describir la geometría molecular: A: átomo central B: átomos unidos al átomo central. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 2 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. Efecto de la geometría sobre la polaridad de la molécula: Habíamos visto que en un enlace covalente se comparten electrones por partes que, en principio, pertenecen por igual a los átomos que participan en el enlace, pero solo sucede si ambos átomos son iguales y, por tanto, de la misma electronegatividad (por ejemplo en H2 ó F2). Pero cuando ambos átomos son distintos, por tanto diferente electronegatividad, el átomo más electronegativo atraerá con más intensidad el par (o los pares) de electrones del enlace covalente y se formará un enlace polar (porque tiene polos eléctricos con cargas parciales δ+ y δ-), por ejemplo en HCl, que podemos apreciar: La polaridad de un enlace se mide por el momento dipolar y es una magnitud vectorial. No debe confundirse polaridad de los enlaces con la polaridad de la molécula, aunque en moléculas diatómicas coinciden porque solo hay un enlace, la polaridad de una molécula con 2 o más enlaces es la suma vectorial de todos los dipolos que forman la molécula. En moléculas simétricas como CO2 y CCl4, aunque los enlaces son polares la molécula, en su conjunto, es apolar, porque la suma vectorial de los momentos dipolares es cero. En una molécula asimétrica como H2O, al no anularse los momentos dipolares, la molécula es polar. www.preusm.cl – Coordinación de Química. ¿Sabías qué… aquellas sustancias POLARES, son HIDROFÍLICAS, es decir reaccionan o tienen afinidad con el agua, y todas aquellas sustancias APOLARES son HIDROFÓBICAS, por tanto no reaccionan con el agua. Actividad 2: Identificar, según la geometría simétrica o asimétrica de las siguientes moléculas, si son polares o apolares (puedes ayudarte con la estructura de Lewis): CH4, BeF2, AlF3 y CH3F ¿Sabías qué… SIEMPRE una molécula ASIMÉTRICA es POLAR, y una SIMÉTRICA es APOLAR? Página 3 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. Efecto de electrones enlazantes sobre los ángulos de enlace: A medida que aumenta el número de átomos alrededor del átomo central de la molécula, las repulsiones entre pares de electrones hacen que los átomos constituyentes tiendan a ocupar la posición que los ubique más lejos de otro átomo. Esto hace que el ángulo de enlace disminuya, a medida que aumenta la cantidad de átomos en torno al átomo central. En general, se espera que para una geometría lineal, el ángulo de separación sea de 180°. Para una geometría plana trigonal, se espera que el ángulo sea 120 °, y que para una geometría tetraédrica sea 109,5°. Efecto de los electrones no enlazantes sobre los ángulos de enlace: Consideremos el metano CH4, el amoniaco NH3, y el agua H2O. Los tres tienen cuatro pares de electrones alrededor del átomo central. Sin embargo, sus ángulos de enlace muestran pequeñas diferencias: Se observa que los ángulos de enlace disminuyen conforme aumenta el número de pares de electrones no enlazantes. El resultado es que los pares de electrones no enlazantes ejercen fuerzas de repulsión más intensas sobre los pares de electrones adyacentes y por ello tienden a comprimir los ángulos que hay entre los pares enlazantes. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 4 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. Moléculas con más de un átomo central Los iones y moléculas que hemos considerado hasta ahora contienen un solo átomo central. Sin embargo, el modelo TRPENV se puede extender fácilmente a moléculas más complejas. Consideremos la molécula del ácido acético, cuya estructura de Lewis es: Por ello, la geometría alrededor de ese átomo es plana trigonal. El átomo de O tiene cuatro pares de electrones, lo que da una geometría de pares de electrones tetraédrica. Sin embargo, sólo dos de esos pares son enlazantes, así que la geometría molecular alrededor del O es angular. La geometría completa de la molécula se muestra en la siguiente figura. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 5 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. Ejercicios 1. ¿Cuál(es) de las siguientes moléculas es (son) lineales? H2S, CO2, O3 A) Sólo H2S. B) Sólo CO2. C) Sólo O3. D) Sólo CO2 y O3. E) H2S, CO2 y O3. 2. ¿Cuál es la geometría de la molécula de CS2? A) Angular. B) Lineal. C) Tetraédrica. D) Trigonal plana. E) Piramidal. 3. El metano y sus derivados clorados tienen una estructura tetraédrica en torno al carbono. Dada las siguientes moléculas: CH4, CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 y CCl4 Se puede afirmar que: A) son todas polares. B) son todas apolares. C) sólo son polares CH3Cl, CH2Cl2 y CHCl3 D) sólo son apolares CH4, CH2Cl2 y CCl4 E) sólo CH4 es apolar. 4. La geometría espacial del borano BH3 es: A) lineal. B) angular. C) trigonal. D) piramidal. E) tetraédrica. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 6 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°5, Común. 5. El conocimiento de las estructuras espaciales de las moléculas de agua, H2O, y de metano, CH4, permite inferir que I) II) III) el agua es polar y el metano es apolar. el metano debe tener mayor punto de ebullición que el agua. a temperatura y presión ambiente el metano es soluble en agua. Es (son) correcta(s) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y III. E) I, II y III. 6. La molécula de dióxido de azufre (SO2) es polar porque: I) II) III) es angular las electronegatividades del azufre y del oxígeno son distintas. tiene un déficit de electrones de valencia en sus átomos. Es (son) correcta (s): A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y II. E) I, II y III. 7. La única molécula con momento dipolar (polar) tiene que ser: A) SiH4 B) BeH2 C) CO2 D) H2S E) C2H2 www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 7