Propiedades Moleculares y Puntos de Fusión: Enlace, Estructura y Fuerzas Intermoleculares

Propiedades Moleculares: Geometría, Polaridad y Puentes de Hidrógeno

Para las siguientes moléculas: trihidruro de fósforo (PH₃) y tetrahidruro de silicio (SiH₄), responda de forma razonada a las siguientes cuestiones:

1. ¿Cuál de estas moléculas presenta una geometría tetraédrica?
2. ¿Cuál de ellas presenta una geometría pirámide trigonal?
3. ¿Serán polares o apolares? ¿Formarán enlaces por puentes de hidrógeno?

Geometría Molecular

Presenta geometría tetraédrica el tetrahidruro de silicio (SiH₄), puesto que es la distribución ideal que minimiza las repulsiones entre los pares de electrones que forman el enlace entre los átomos de Si y H.

En este caso, presenta geometría pirámide trigonal el trihidruro de fósforo (PH₃), ya que el par de electrones libre en el átomo de fósforo provoca que los enlaces P-H estén más juntos, disminuyendo el ángulo respecto al valor tetraédrico ideal de 109,5º.

Polaridad

Para averiguar la polaridad de las moléculas triatómicas o superiores, como es este caso, es necesario dibujar la geometría de la molécula. Una vez hecho, comprobar que la suma de los momentos dipolares sea distinto de 0. Además, hay que tener en cuenta la presencia de pares de electrones no enlazantes, como es el caso del PH₃.

Los enlaces P-H son ligeramente polares. La presencia del par de electrones no enlazantes en el fósforo contribuye significativamente al momento dipolar total, haciendo que la molécula de trihidruro de fósforo sea polar.

El caso del tetrahidruro de silicio es apolar, puesto que los momentos dipolares individuales de los enlaces Si-H se anulan por la propia geometría tetraédrica de la molécula, y el momento dipolar total es 0.

Puentes de Hidrógeno

Con respecto a los enlaces por puente de hidrógeno, no, en ningún caso formarán enlaces por puentes de hidrógeno, ya que, para que así fuera, en la molécula tendría que existir la unión O-H, F-H o N-H, y no es el caso.

Puntos de Fusión y Fuerzas Intermoleculares

Sabiendo que las temperaturas de 3550 ºC, 650 ºC, -107 ºC y -196 ºC corresponden a las temperaturas de fusión del nitrógeno, aluminio, diamante y tricloruro de boro, respectivamente:

1. Asigna a cada compuesto el valor que le corresponde a su temperatura de fusión y justifica esta asignación.
2. Justifica los tipos de enlace o las fuerzas intermoleculares que están presentes en cada uno de los compuestos cuando se encuentran en estado sólido.

Asignación de Temperaturas de Fusión

• 3550 ºC: Diamante
• 650 ºC: Aluminio
• -107 ºC: Tricloruro de boro
• -196 ºC: Nitrógeno

Justificación por Compuesto

Diamante (3550 ºC)

El diamante es una red covalente. Las redes covalentes son sustancias formadas por un número muy elevado de átomos, iguales o diferentes, unidos entre sí por enlaces covalentes (enlaces muy fuertes) y, por ello, tienen un punto de fusión muy elevado. Estos puntos de fusión son tan altos porque para fundirlos es necesario romper la red cristalina de enlaces covalentes. Además, las redes que forman los sólidos covalentes son extremadamente rígidas. Cuanto más simétrica y compacta es la estructura, mayor dureza presenta y más alto es su punto de fusión. Cabe destacar que el carbono en el diamante tiene hibridación sp³ y forma una estructura tetraédrica, donde cada átomo de carbono se une sucesivamente a otros cuatro átomos de carbono.

Aluminio (650 ºC)

El aluminio es un metal (enlace metálico). En estado sólido, presenta una red de cationes metálicos rodeados por electrones deslocalizados con libertad de movimiento (mar de electrones). El enlace metálico es fuerte y, por tanto, el punto de fusión es elevado, porque cuesta bastante energía (alta temperatura) separar los átomos para fundirlo.

Nitrógeno (-196 ºC)

El nitrógeno es un compuesto diatómico (N₂) con un enlace triple entre los dos átomos de nitrógeno (N≡N). Cada átomo de N también tiene un par de electrones libres. La diferencia de electronegatividad entre los átomos de nitrógeno es cero, por lo que la molécula es apolar y covalente. La única fuerza intermolecular presente son las fuerzas de dispersión de London, que son fuerzas débiles.

Tricloruro de Boro (-107 ºC)

El tricloruro de boro (BCl₃) tiene una geometría trigonal plana. Es apolar puesto que el momento dipolar total es igual a 0 debido a la simetría de la molécula y a que los momentos dipolares de los enlaces B-Cl se cancelan vectorialmente. Al ser una molécula apolar, la única posibilidad de interacción intermolecular son las fuerzas de dispersión de London.

Comparación entre Nitrógeno y Tricloruro de Boro

Como el tricloruro de boro y el nitrógeno tienen en ambos casos el mismo tipo de fuerzas intermoleculares (fuerzas de dispersión), recurrimos a la masa molecular para compararlos. La masa molecular del nitrógeno (N₂, 28 g/mol) es menor que la del tricloruro de boro (BCl₃, 117.1 g/mol). Por tanto, las fuerzas de dispersión en el N₂ son más débiles que en el BCl₃. Llegamos a la conclusión de que el punto de fusión del nitrógeno es más bajo, ya que al ser una molécula más ligera y con fuerzas intermoleculares más débiles, necesita menos energía para superar estas fuerzas y fundir.