PREGUNTAS Y PROBLEMAS
Geometría molecular Preguntas de repaso 10.1¿Cómo se define la geometría de una molécula y por qué es importante el estudio de la geometría molecular? 10.2 Dibuje la forma de una molécula triatómica lineal, una molécula trigonal plana que contenga cuatro átomos, una molécula tetraédrica, una molécula bipiramidal trigonal y u na na m ol ol éc éc ul ul a oc oc ta ta éd éd ri ri ca ca . In In di di qu qu e lo lo s án án gu gu lo lo s de de e nl nl ac ac e en en c ad ad a ca ca so so . 10.3 10.3 ¿Cuánt ¿Cuántos os átomos átomos están están unidos unidos direc directam tament ente e al átomo átomo centr central al en una moléc molécula ula tetraédrica, en una molécula bipiramidal trigonal y en una molécula octaédrica? 10.4 Analice las características básicas del modelo de RPECV. Explique por qué la magnitud de la repulsión disminuye en el siguiente orden, par libre-par libre > par libre-par enlazante > par enlazante-par enlazante.. enlazante.. 1 0. 0. 5 E n l a d is is tr tr ib ib uc uc ió ió n b ip ip ir ir am am id id al al t ri ri go go na na l, l, ¿ po po r q u é u n p ar ar l ib ib re re o cu cu pa pa u na na p os os ic ic ió ió n ecuatorial en lugar de ocupar una posición axial? 10.6 La geometría del CH 4 podría ser cuadrada plana, con los cuatro átomos de H en los vértices de un cuadrado y el átomo de C en el centro del mismo. Dibuje esta geometría y compare su estabilidad con la geometría tetraédrica tetraédrica de la molécula de CH 4 . Problemas Prediga la geometría de cada una de las siguientes especies, utilizando el modelo 10.7 REPCV a) PCl 3 , b) CHCl 3 , c) SiH 4 , d) TeCl 4 Prediga la geometría de cada una de las siguientes especies: a) AlCl 3 , b) ZnCl 2 , c) 10.8 ZnCl 4 2- , Prediga la geometría de cada una de las siguientes moléculas utilizando el modelo 10.9 REPCV: a) HgBr2 b) N 2 O (la distribución de los átomos es NNO) c) SCN - (la distribución de los átomos es SCN) + b) NH 2 - , c) CO 3 2- , d) 10.10 Prediga la geometría de cada una de los siguientes iones: a) NH 4 + 2IC l 4 , e) ICl 2 , f) AlH 4 . g) SnCl 5 , h) H 3 O , i) BF 4 10.11 Describa la geometría alrededor de cada uno de los tres átomos centrales en la molécula CH 3 COOH 210.12 ¿Cuáles de las siguientes especies son tetraédricas? SiCl 4 , SeF 4 , XeF 4 , Cl 4 , CdCl 4
Momento dipolar Preguntas de repaso 10.13Defina momento dipolar. ¿Cuáles son las unidades y el símbolo para el momento bipolar? 10.14 ¿Cuál es la relación entre el momento dipolar y el momento de enlace? ¿Cómo es posible que una molécula con momentos de enlace sea no polar'? 10.15 Explique por qué un átomo no puede tener un momento dipolar permanente. 10.16 Explique por qué los enlaces de las moléculas de hidruro de berilio (BeH 2 ) son polares y, sin embargo, el momento dipolar de la molécula es cero. Problemas
10.17 De acuerdo con la tabla 10.3, acomode las siguientes moléculas en orden creciente de momento dipolar: H 2 O, H 2 S, H 2 Te, H 2 Se . 10.18 Los momentos dipolares de los halogenuros de hidrógeno disminuyen del HF al HI (véase la tabla 10.3). Explique esta tendencia. 10.19 Acomode las siguientes moléculas en orden creciente de momento dipolar: H 2 O, CBr 4 H 2 S, HF, NH 3 , CO 2 . 10.20 ¿,La molécula de OCS tendrá un momento dipolar mayor o menor que el CS 2 ? 10.21 ¿Cuál de las siguientes moléculas tiene mayor momento dipolar?
Br
Br
H C
Br C
C
H
H
Br
H b)
a)
10.22
C
Acomode los siguientes compuestos en orden creciente de momento dipolar:
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
a)
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
b)
c)
d)
Teoría de enlace valencia Preguntas de repaso 10.23 ¿Cuál es la teoría de enlace valencia? ¿En qué se diferencia del concepto de Lewis sobre el enlace químico? 10.24 Utilice la teoría de enlace valencia para explicar el enlace en Cl2 y en HCI. Muestre cómo se solapan los orbitales atómicos para formar un enlace. 10.25Dibuje una curva de energía potencial para la formación del enlace en F 2 . Hibridación Preguntas de repaso 10.26¿Qué es la hibridación de orbitales atómicos? ¿Por qué es imposible que un átomo aislado exista en estado de hibridación? 10.27 ¿,Cuál es la diferencia entre un orbital híbrido y un orbital atómico puro? ¿Pueden participar en una hibridación dos orbitales 2p de un átomo para formar dos orbitales híbridos? 10.28 ¿Cuál es el ángulo entre dos orbitales híbridos del mismo átomo en cada uno de los siguientes casos? a) orbitales híbridos sp entre sí, h) orbitales híbridos . s p 2 entre sí, c) orbitales híbridos sp 3 entre sí. 10.29 ¿ Como se distingue entre un enlace sigma y un enlace pi?
10.30 ¿Cuáles de los siguientes pares de orbitales atómicos sobre átomos adyacentes se pueden solapar para formar un enlace sigma? ¿Cuáles se solapan para formar un enlace pi? ¿Cuáles no se pueden solapar (no forman enlace)? Considere que el eje x es el eje internuclear, es decir, es la línea que une los núcleos de los dos átomos. a) 1s y ls, b) ls y 2p x . c) 2p x y 2p y d) 3p y y 3y, e) 2p x y 2p x , f) 1s y 2s. Problemas 10.31 Describa el esquema de enlace de la 10.32 ¿Cuál es la hibridación del Si en SiH 4 10.33 Describa el cambio de hibridación reacción: AlCl3 +
molécula de AsH 3 en términos de hibridación. y en H 3 Sí-SiH 3 ? (de haberlo) del átomo de Al en la siguiente Cl -
→
AlCl 4 -
10.34 Considere la reacci ón B F 3 + NH 3
→
F 3B ― N H3
Describa los cambios de hibridación (de haberlos) de los átomos de B y N que resultan de la reacción. 1 0 .3 5 ¿ C uá l es o r bi t al e s h í br i do s u t il i za e l á to mo d e n i tr óg e no e n c ad a u n a d e l a s siguientes especies: a) NH 3 b) H 2 N ― N H 2 c) NO 3 10.36 ¿Cuáles son los orbitales híbridos de los átomos de carbono en las siguientes moléculas
a) H3C
CH3
b) H3C
CH
c) CH3
C
d) CH3CH
CH2 C
CH2OH
O
e) CH3COOH
10.37 Especifique qué orbitales híbridos utiliza el átomo de carbono en cada una de las siguientes especies: a) CO, b) CO 2 , c) CN - . 1 0 .3 8 ¿ C uá l e a e l e st ad o d e h i br i da ci ón d e l á t o mo c en t ra l d e N e n e l i n a zi d a, N 3 - ? (Distribución de los átomos: NNN.) 10.39 La molécula de aleno H 2 C=C=CH 2 es lineal (los tres átomos de C están en línea r ec ta ). ¿ C uá l es s on l o s e st ad o s d e h i br i da ci ó n d e l o s á to mo s d e c ar b on o? D i bu j e u n diagrama que muestre la formación de los enlaces sigma y los enlaces pi en el aleno. 10.40 Describa la hibridación del fósforo en el PF 5 . 10.41 ¿Cuántos enlaces sigma y cuántos enlaces pi hay en cada una de las siguientes moléculas? H Cl
C
H Cl
H C
H
C
H
H3C
C
y
enl aces
C C
N
C
C
H
c)
cuán tos N
C
H
b)
pi
C
H
a)
10 .4 2¿ Cuán tos enl aces tetracianoetileno?
H
si gma
C
N
C
N
h ay
en
1a
mo lécu la
de
C
Teoría del orbital molecular Preguntas de repaso 10.43 ¿Cuál es la teoría del orbital molecular? ¿En qué se diferencia de la teoría de enlace valencia? 10.44 Defina los siguientes términos: orbital molecular de enlace, orbital molecular de antienlace, orbital molecular pi, orbital molecular sgima. 10.45 Dibuje un esquema de la forma de los siguientes orbitales moleculares: ¿Cómo son sus energías comparadas? σ 1s , σ 1s *, π 2p , π 2p * 10.46 Explique el significado del orden de enlace. ¿Puede utilizarse dicho orden para hacer comparaciones cuantitativas de las fuerzas de los enlaces químicos? Problemas 10.47 Explique, en términos del orbital molecular, los cambios en la distancia internuclear H-H que ocurren cuando el H 2 mol ecu lar se ioniza primero a H 2 + y después a H 2 2+ . 10.48 La formación de H 2 a partir de sus átomos es un proceso energéticamente favorable. Sin embargo, estadísticamente la probabilidad de que dos átomos de H reaccionen es menor al 100%. Aparte de la consideración energética, cómo podría explicarse esta observación, basándose en los espines de los electrones de los dos átonos de H? 10.49 Dibuje un diagrama de los niveles de energía de orbitales moleculares para cada una de las siguientes especies: He 2 HHe, He 2 + . Compare sus estabilidades relativas en función de orden de enlace. (Considere el HHe como una molécula diatómica con tres electrones.) 10.50 Acomode las siguientes especies en orden de estabilidad creciente: Lí 2 , Lí 2 + , Lí 2 - . J us ti fi qu e l a e le cc ió n c on u n d ia gr am a d e n iv el es d e e ne rg ía d e o rb it al es moleculares.
10.51Utilice la teoría del orbital molecular para explicar por qué no existe la molécula de Be 2 . 10.53Explique en términos de la teoría del orbital molecular, ¿cuál de las siguientes especies tiene una longitud de enlace mayor, Be 2 , o Be 2 + ? 10.53 El acetileno (C 2 =H 2 ) tiene tendencia a perder dos protones (H + ) y f o r m a r e l i ó n carburo (C 2 2- ), el cual está presente en numerosos compuestos iónicos, como CaC 2 , y Mg C 2 . D e s c r i b a e l e s q u e m a d e e n l a c e e n e l i o n C 2 2- en términos de la teoría del orbital molecular. Compare el orden de enlace del C 2 2- con el del C 2 . 10.54Compare la teoría de Lewis y la teoría del orbital molecular para el estudio de la molécula de oxígeno. 10.55Explique por qué el orden de enlace de N 2 , es mayor que el orden de enlace de N 2 + y sin embargo el orden de enlace de O 2 es menor que el de O 2 + ;. 1 0 .5 6 C o mp ar e l a s e st ab i li d ad e s r e la ti v as d e l as s i gu i en te s e sp ec ie s e i n di q ue s u s propiedades magnéticas (es decir, si son diamagnéticas o paramagnéticas): O 2 , O 2 + , O 2 - (ión superóxido), OC 2 2- ( ió n p er óx id o) . 10.57 Utilice la teoría del orbital molecular para comparar las estabilidades relativas de F 2 y F 2 +. 10.58 Un enlace sencillo casi siempre es un enlace sigma, y un doble enlace casi siempre está formado por un enlace sigma y un enlace pi. Existen pocas excepciones para esta regla. Demuestre que las moléculas de B 2 y d e C 2 constituyen ejemplos de estas excepciones.
Orbitales moleculares deslocalizados Preguntas de repaso 10.59 ¿En qué se diferencia un orbital molecular deslocalizado de un orbital molecular c om o e l q ue s e e n cu en tr a e n H 2 , o e n C 2 H 4 ? ¿Cuáles deben ser las condiciones mínimas (por ejemplo, número de átomos y tipos de orbitales) para formar un orbital molecular deslocalizado? 10.60En el capítulo 9 se vio que el concepto de resonancia es útil para el estudio de especies como la molécula de benceno y el ión carbonato. ¿Cómo analiza estas especies la teoría del orbital molecular'? Problemas 10.61 Tanto el etileno (C 2 H 4 ) como el benceno (C 6 H 6 ) contienen enlaces C=C. La reactividad d el e ti le no e s m ay or q ue l a d el b en ce no . P or e je mp lo , e l e ti le no r ea cc io na rápidamente con bromo molecular, mientras que el benceno normalmente es inerte frente al bromo molecular y a muchos otros compuestos. Explique esta diferencia en reactividad. 10.62 Explique por qué el símbolo de la izquierda representa mejor las moléculas de benceno que el de la derecha.
Determine cuál de las siguientes moléculas tiene un orbital más, deslocalizado y justifique la elección.
10.63
(Sugerencia: ambas moléculas contienen dos anillos bencénicos. En el naftaleno, los dos anillos están fusionados. En el bifenilo los dos anillos están unidos a través de un enlace sencillo en torno al cual pueden girar ambos anillos). 10.64 El fluoruro de nitrilo (FNO 2 ,) es muy reactivo químicamente. Los átomos de flúor y de oxígeno están unidos al átomo de nitrógeno. a) Escriba la estructura de Lewís para el FN O 2 . b) Indique la hibridación del átomo de nitrógeno. c) Describa el enlace en términos de la teoría del orbital molecular. ¿Dónde se espera que se formen orbitales moleculares deslocalizados? 1 0 .6 5 D es cr i ba e l e nl a ce e n e l i o n n i t r at o N O3 - , en términos de orbitales moleculares deslocalizados.
1 0 .6 6 ¿ C uá l e s e l e st a do d e h i br i da ci ó n d e l á to mo c en tr a l d e O e n e l O 3 ,? Describa el enlace en el O 3 , en términos de orbitales moleculares deslocalizados. Problemas adicionales 10.67 ;,Cuál de las siguientes especies no es probable que tenga forma tetraédrica? a) SiBr 4 , b) NF 4 + , c) SF 4 , d) BeCl 4 2- , e) B F 4 - , f)I) AlCl 4 - . 10.68 Dibuje la estructura de Lewis del bromuro de mercurio(II). ¿Es una molécula lineal o angular? ¿Cómo se puede establecer su geometría? 10.69 Dibuje un esquema de los momentos de enlace y el momento dipolar resultante para las siguientes moléculas: H 2 O, PCl 3 , XeF 4 , PCl 5 , SF 6 . 10.70 A pesar de que tanto el carbono como el silicio pertenecen al grupo 4A, casi no se conocen enlaces Si=Si. Explique la inestabilidad, en general, de los dobles enlaces silicio-silicio.(Sugerencia: compare los radios atómicos del C y del Si en la figura 8.5. ¿Cuál es el efecto que tiene el mayor tamaño sobre la formación de los enlaces pi?) 10.71 Prediga la geometría del dicloruro de azufre (SCl2 ) así como la hibridación del átomo de azufre. 10.72 El pentafluoruro de antimonio, SbF 5 , reacciona con XeF 4 , y con XeF 6 para formar los compuestos iónicos XeF 3 + Sb F 6 - y Xe F 5 + Sb F 6 -. Describa la geometría de los cationes y de los aniones en estos dos compuestos. 10.73 Dibuje la estructura de Lewis y proporcione la información que se solicita para cada una de las siguientes moléculas: a) BF 3 , ¿Forma plana o no? b) ClO 3 - ¿Forma plana o n o ? c ) H 2 O. Muestre la dirección resultante del momento dipolar. d) OF 2 ¿Es una molécula polar o no polar? e) NO 2 Proponga el ángulo del enlace ONO. 10.74 Prediga los ángulos de enlace de las siguientes moléculas: a) BeCl 2 , b) B Cl 3 , c) C Cl 4 , d) CH 3 CI , e) Hg 2 Cl 2 (distribución de los átomos: ClHgHgCl), f) SnCl 2 , g) H 2 O 2 , h) SnH 4 . 10.75 Compare brevemente la propuesta del modelo de RPECV y de la hibridación para el estudio de la geometría molecular. 10.76 Describa el estado de hibridación del arsénico en el pentatluoruro de arsénico (AsF 5 ). 10.77 Dibuje las estructuras de Lewis y proporcione la información que se solicita para las siguientes especies: a) SO 3 ¿Es una molécula polar o no polar? B) PF 3 ¿Es una molécula polar o no polar? c) F 3 S i H. M u es t re l a d i re cc ió n d e l a r es u lt an te d e l m o m en t o d ip o la r. d ) Si H 3 - . ¿Tiene forma plana o piramidal? e) Br 2 CH 2 ¿Es una molécula polar o no polar? 10.78 ¿Cuáles de las siguientes moléculas son lineales'.' ICl 2 - , IF 2 + , OF 2 , SnI 2 , CdBr 2 . 10.79 Dibuje la estructura de Lewis del ion BeCl 4 - . Prediga su geometría y describa el estado de hibridación del átomo de Be. 10.80 La molécula de N 2 F 2 , puede existir en alguna de las dos siguientes formas: F N
N
F
F N
N
F
a) ¿Cuál es la hibridación del N en la molécula? b) ¿Cuál estructura tiene momento dipolar? 1 0. 81 E l c i cl op ro pa no ( C 3 H 6 ) t i e n e f o r m a d e t r i á n g u l o c o n u n á t o m o d e C u n i d o a d o s átomos de H y a otros dos átomos de C en cada vértice. El cubano (C 8 H 8 ) tiene forma de cubo con un átomo de C unido a un átomo de H y a otros tres átomos de C en cada vértice. a) Dibuje las estructuras de Lewis de estas moléculas. b) Compare los ángulos CCC de estas moléculas con el que se predice para un átomo de C con hibridación sp 3 c) ¿Se esperaría que fuera fácil obtener estas moléculas? 1 0 .8 2 El c om p ue st o 1 , 2- d ic lo r oe ta n o ( C2 H 4 Cl 2 ) es no polar, mientras que el cisdicloroetileno (C 2 H 2 Cl 2 ) tiene un momento dipolar:
H
Cl
Cl
C
C
H
H
Cl
Cl
H
C
C
H
H
1,2 dicloroetano
cis-dicloroetileno
La razón de esta diferencia es que los grupos unidos por enlaces sencillos pueden girar con respecto a cada uno, pero no hay rotación entre los grupos unidos por d ob l es e n la ce s. C o n b a se e n c on si d er a ci on e s d e e n la ce , e x pl i qu e p or q u é h ay rotación en el 1,2-dicloroetano pero no en el cis-dicloroetileno. 111.83 ¿La siguiente molécula tiene momento dipolar? Cl
H C
C
C
H
Cl
10.84 Los llamados gases de invernadero, que contribuyen al calentamiento global, tienen un momento dipolar o bien pueden tener forma angular o tener una forma distorsionada que tenga un momento dipolar. ¿Cuáles de los siguientes son gases de invernadero'? N 2 O, O 2 ,O 3 , CO, CO 2 , NO 2 , N 2 O, C4, CFCI 3 . 10.85 Explique por qué el ángulo de enlace del SO2 es muy cercano a 120°, a pesar de que hay un par libre sobre el S. 10.86 La3'-azido-3'-desoxitimidina, comúnmente. conocida como AZT, es uno de los f á rm ac os e m pl e ad os p a ra e l t r at am i en t o d el s í nd r om e d e i n mu n od ef i ci e nc i a adquirida (SIDA). ¿Cuáles son los estados de hibridación de los átomos de C y de N en esta molécula? O C
H N
C
C
C
O
HO
CH2 C H
CH3
N
H
O C H
H
C
C
N
H
H
N N
10.87 Las siguientes moléculas (AX 4 Y 2 ) tienen geometría octaédrica. Ag rupe las moléculas que son equivalentes entre sí.
Y
Y
X
X
X
Y
A X
A X
X
X
Y
X
a)
b)
X
X X
X
Y
A
A Y
Y
X
X
Y X
X
d)
c)
111.88 Los compuestos tetracloruro de carbono (CCl 4 ) y tetracloruro de silicio (SiCl 4 ) son semejantes en geometría y en hibridación. Sin embargo, el CCl 4 no reacciona con a gu a m i en tr a s q ue e l S i Cl 4 sí. Explique la diferencia en su reactividad química. (Sugerencia: se cree que el primer paso de la reacción es la adición de una molécula de agua al átomo de Si en el SiCl 4 ) 10.89Escriba la configuración electrónica del B 2 en estado fundamental. ¿Es una molécula diamagnética o paramagnética? 10.90 ¿Cuáles son los estados de hibridación de los átomos de C y N en esta molécula? NH2 C N
C N
C O
H
N
H
H
10.91Utilice la teoría del orbital molecular para explicar la diferencia entre las energías de enlace de F 2 y F 2 - (véase el problema 9.108). l0.92 Después de leer la sección de La química en acción de la página 382, responda las siguientes preguntas: a) Si se desea asar una carne (de res o de cordero) ¿sería preferible utilizar un horno de microondas o uno convencional? b) El radar es una forma de localizar un objeto midiendo la dirección y el tiempo que tarda en regresar el eco desde el objeto hasta la fuente de microondas. ¿Podría funcionar el radar si las moléculas de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono fueran moléculas polares? c) Durante las pruebas iniciales del radar, en el canal inglés, durante la Segunda Guerra Mundial, los resultados no fueron concluyentes a pesar de que el equipo no funcionaba mal. ¿Por qué? (Su gerencia: en dicha región el clima por lo regular está brumoso.) 10.93 Todas las geometrías analizadas en este capítulo conducen fácilmente a la elucidación de los ángulos de enlace. E1 tetraedro constituye una excepción porque es difícil visualizar sus ángulos de enlace. Considere la molécula de CCl 4 que tiene una geometría tetraédrica y es no polar. Suponiendo que el momento de un enlace C-Cl en particular es igual a la resultante de los otros tres momentos de enlace C-Cl en direcciones opuestas, demuestre que todos los ángulos de enlace son iguales a 109.5°. 10.94 Consulte la tabla 9.4 y explique por qué la energía de disociación de enlace del Cl2 es mayor que la del F2 (Sugerencia: las longitudes de enlace de F 2 y de Cl2 son 142 pm y 199 pm, respectivamente.)
10.95 Utilice la teoría del orbital molecular para explicar el enlace en el ion azida (N3 - ). (La distribución de los átomos es NNN.) 111.96 Es posible calcular el carácter iónico del enlace de una molécula diatómica con la fórmula µ
x100%
ed
donde µ es el momento dipolar medido experimentalmente (en C m), e es la carga electrónica y d la longitud del enlace, en metros. (La cantidad ed el momento dipolar hipotético para el caso en el que se complete la transferencia de un electrón desde el átomo menos electronegativo hacia el átomo más electronegativo.) Si el momento dipolar y la longitud de enlace del HF son 1.92 D y 91.7 pm, respectivamente, calcule el porcentaje de carácter iónico de la molécula. 10.97 Se sabe que sólo existe una de las dos moléculas siguientes que contienen átomos de C y de H. ¿Cuál de ellas es? Explique l a elección.
Los átomos de C están en los vértices y los de H no se muestran.
