Las Moléculas Poliatómicas

En estas moléculas, los cálculos que se realicen deben predecir distancias y energías de enlace, como en las diatómicas, pero también una nueva magnitud: los ángulos de enlace. Según la TOA, cuando un átomo se combina simultáneamente con dos o más átomos, no utiliza directamente sus orbitales atómicos para formar los enlaces. Utiliza combinaciones de ellos, y los orbitales resultates son conocidos como orbitales híbridos. Éstos son apropiados para establecer una mejor superposición con los orbitales de los otros átomos. En consecuencia, las energías de enlace son mayores y por lo tanto la molécula resultante es más estable. Respecto a los orbitales híbridos, debemos resaltar:

  1. Provienen de la combinación de los orbitales atómicos de la capa de valencia de los distintos átomos.
  2. Se forman tantos orbitales híbridos como orbitales atómicos se combinen. Se los denomina en base a éstos: sp (se combinan un orbital s y otro p), sp2 (un s y dos p), sp3 (un s y tres p).
  3. Espacialmente, se disponen de forma que las repulsiones entre los electrones de enlace sea la menor posible. Por ello forman entre sí ángulos definidos: 180° (sp), 120° (sp2), 109,5°(sp3).
  4. Todos los orbitales híbridos, de una misma combinación, son equivalentes. Se disponen espacialmente para conseguir la mejor superposición con los orbitales de los otros átomos.
  5. Su forma general responde al siguiente diagrama globular:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Observe que siempre tienen simetría s respecto al eje de enlace.

 

En elementos que pueden expandir su capa de valencia, formando más de cuatro enlaces, la hibridación puede incluir también algún orbital d. Es así que se establecen cinco orbitales híbridos sp3d (un s, tres p, un d) y seis híbridos sp3d2 (un s, tres p, dos d), dirigidos hacia los vértices de una bipirámide trigonal y octaedro, respectivamente. Estos permiten al átomo correspondiente, formar hasta cinco ó seis enlaces.

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Configuración H : 1s1

Configuración C : [He]2s22p2

 

H

Fórmula estructural (esqueleto): H C H

H

Fórmula de Lewis:

 

 

Datos experimentales:

 

Fórmula espacial:

 

 

 

 

 

 

Diagrama globular:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A través de la hibridación de sus orbitales atómicos, el C forma cuatro enlaces de igual energía con los respectivos hidrógenos. Espacialmente, y de acuerdo con la orientación de los orbitales híbridos, se forma un tetraedro con los H en los vértices y el carbono en su centro.

Todo los enlaces son de tipo s , respecto a cada eje de enlace C-H.

 

 

Configuración H : 1s1

Configuración O: [He]2s22p4

 



Fórmula estructural (esqueleto): H O H

Fórmula de Lewis:

 

Datos experimentales:

 

Fórmula espacial:

 

Diagrama globular:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El diagrama globular es, como siempre, la representación detallada de la fórmula de Lewis correspondiente. De acuerdo con la información experimental de que disponemos, el ángulo HOH es de 103°. Esto nos indica que los orbitales del oxígeno están en hibridación sp3. Se forman dos enlaces O-H, por lo que dos de los cuatro orbitales híbridos son utilizados para formar enlaces s . Los otros dos, son los que albergan los pares no-enlazantes que aparecen en la fórmula de Lewis.

Cabe preguntarnos por qué el ángulo de enlace es algo menor que los 109.5° que corresponderían a una hibridación sp3. Debemos recordar lo que vimos al estudiar la teoría de RPENV, que nos dice que los pares no-enlazantes ocupan mayor espacio que los enlazantes, y por ello se cierra algo el ángulo H-O-H.

 

Configuración C : [He]2s22p2

Configuración O: [He]2s22p4



Fórmula estructural (esqueleto): O C O

Fórmula de Lewis:

 

Datos experimentales:

 

Fórmula espacial:

 

Diagrama globular:

 

 

 

 

El carbono es el átomo central, con dos híbridos sp formando enlaces con los oxígenos. La existencia de estos dos orbitales híbridos se manifiesta a través del dato experimental que tenemos: el ángulo OCO es de 180°. La molécula resulta entonces lineal. Como siempre que se forman orbitales híbridos, tienen simetría s respecto al eje de enlace. Y por lo tanto, deben combinarse con un orbital del oxígeno que tenga la misma simetría. Los oxígenos pueden utilizar para ello uno de sus orbitales p o el orbital s. El orbital p tiene un carácter direccional que no tiene el orbital s (éste es esférico). Por lo tanto, tendrá mejor superposición con el orbital híbrido y formará un enlace más fuerte.

El carbono tiene dos orbitales p, de simetría p , que no forman parte de la hibridación. Es decir, permanecen iguales a los orbitales atómicos p originales. A su vez, cada oxígeno tiene el mismo número de orbitales p de la misma simetría. El doble enlace C-O que está presente en la fórmula de Lewis y que el dato experimental nos confirma, se establece a través de estos orbitales. El carbono utiliza así sus dos orbitales p sin hibridar, para formar enlaces de simetría p , uno con cada oxígeno.

El diagrama globular se completa con los dos pares electrónicos no-enlazantes que figuran en la fórmula de Lewis sobre cada oxígeno, y que permanecen en orbitales atómicos: uno de los orbitales p y y el s.

Al estudiar el enlace en el dióxido de carbono, sacamos una conclusión que puede extenderse a todas las moléculas poliatómicas: la disposición espacial de los átomos queda determinada siempre por los enlaces s (el llamado "esqueleto sigma"). Los enlaces p , si se forman, sólo refuerzan los ya formados, y no alteran sustancialmente la geometría de la molécula.

 

 

 

 

Configuración H: 1s1

Configuración C : [He]2s22p2

Fórmula estructural (esqueleto):

H H

C C

H H

 

Fórmula de Lewis:

 

 

Datos experimentales:

 

Fórmula espacial:

 

 

Diagrama globular:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Observe que en el diagrama globular están presentes todos los orbitales, enlaces y electrones de las capas de valencia de todos los átomos de la molécula. La hibridación sp2 para los átomos de carbono surge de los ángulos de enlace experimentales (todos son de 120º). Como en la hibridación cada carbono utiliza tres de sus cuatro orbitales de la capa de valencia, uno de los orbitales p permanece en principio incambiado, y con simetría p respecto al eje C-C. Tenemos entonces dos de estos orbitales, perpendiculares al plano definido por los átomos de carbono e hidrógeno. A su vez, del total de electrones de los niveles de valencia (12), resta sólo un par que no está asignado a enlaces s . La distancia experimental de enlace C-C nos dice que debe haber un enlace doble entre ellos. Es por eso que sabemos que hay un enlace p entre ambos carbonos.

Al escribir los diagramas globulares de moléculas poliatómicas seguimos las mismas convenciones que vimos para las diatómicas. No obstante, y a efectos de simplificar la representación, hacemos algunos cambios:

  1. No dibujamos los ejes de enlace. En las diatómicas hay un único eje de enlace, pero en las poliatómicas puede haber varios. Por ello, los suprimimos.
  2. Cuando explicitamos un enlace - por ejemplo s C-C (sp2, sp2), anotamos entre qué átomos se hace la unión.

Tenga en cuenta que en estas páginas utilizamos el color para diferenciar más fáciltmente los orbitales. Esto no es necesario cuando resuelva los ejercicios. Al hacerlo, distinga los orbitales híbridos rellenándolos. Los otros orbitales, déjelos sin color. Por ejemplo, la molécula de CO2 debe verse de la siguiente manera:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Cómo Resolver un Ejercicio

Teniendo en cuenta la siguiente información, haga un diagrama globular de la urea.


H



H N


C O



H N


H

Los átomos C, N y O son coplanares

ángulo O-C-N = 122º (ambos iguales)

ámgulo H-N-H = 106º (todos iguales)

dC-O = 1.26 Å

dC-N = 1.34 Å

Resolución

Escribimos primero la fórmula de Lewis que corresponda, basándonos en el esqueleto que nos proporcionan, en las configuraciones de los niveles de valencia de los átomos involucrados y en las distancias de enlace.

Esta fórmula contempla los datos experimentales de distancias de enlace (simple para C-N y doble para C-O, de acuerdo con los valores del Manual de Datos). Los átomos de C, N y O cumplen con la regla del octeto.

Primero dibujamos el esqueleto sigma de la molécula teniendo en cuenta los ángulos de enlace alrededor de los tres centros de la molécula: el carbono y los dos nitrógenos. En base a ellos, planteamos una hibridación sp2 para el carbono y sp3 para los nitrógenos. Incluímos todos los electrones involucrados en los enlaces sigma.

 

 

 

Luego, colocamos el resto de los electrones: los pares no-enlazantes y el doble enlace en C-O. Recuerde que en el diagrama globular debemos tener el mismo número de enlaces y de electrones que en la fórmula de Lewis que hemos escrito. Finalmente, identificamos cada enlace con su tipo.