Como fue mencionado en el inicio de la presentación anterior, a partir de ahoraaplicaremos los conceptos estudiados para analizar moléculas sencillas queserán clasificadas según su geometría asociada con las entidades electrónicas(GEE).

Empezaremos con moléculas que tienen una GEE lineal.

Recuerda que a partir de la geometría lineal (GEE) se pueden derivar dosgeometrías moleculares (GM) en función del número de pares de electrones libresen el átomo central.

180.0°

GEE Lineal

GM: Lineal (0 par libre) GM: Lineal (1 par libre)

Las moléculas que serán analizadas en esta presentación serán:

• Hidruro de berilio, BeH2

• Dióxido de carbono, CO2

• Monóxido de carbono, CO• Ion nitronio, NO2

+

• Ion cianuro, CN–

1

GEE Lineal

Hidruro de berilio, BeH2.

Obtengamos primero la configuración electrónica de cada átomo.

Be 1s22s2 H 1s1

El Be aporta dos electrones y el H un electrón, por lo que el número total deelectrones será cuatro. Si el átomo de Be es el átomo central, entonces, laestructura de Lewis será:

H Be Hx x x x

El valor de la carga formal en cada átomo es:

CFBe = 2 – 0 – (4/2) = 0 CFH = 1 – 0 – (2/2) = 0

Al ser las cargas formales cero y la molécula neutra podemos decir que laestructura de Lewis propuesta es correcta.

Dado que Be tiene dos entidades electrónicas en su entorno, entonces, su GEEserá lineal y como las dos entidades electrónicas están asociadas con enlaces,entonces, la GM será lineal.

2

GEE Lineal

Ahora pensemos en el modelo de cajas de cada átomo para explicar la estructurade Lewis.

Be H

Como en la estructura de Lewis los electrones se comparten, podemos ver que enel caso de H no tenemos conflicto pues el electrón ya está desapareado pero en Bese tiene a los dos electrones apareados por lo que será requerido realizar latransferencia electrónica Y2,0,0,–1/2 → Y2,1,1,1/2, con lo que el arreglo electrónico enBe será:

2s 1s

Be

Ahora podemos aparear el electrón de cada H con los electrones de Be.

Debes tener presente que el espín en alguno de los electrones debe invertirse pararespetar el principio de exclusión de Pauli.

3

2s 2px

1s 1s2s 2px

BeH H

GEE Lineal

Una vez explicada la estructura de Lewis, requerimos explicar la GEE y para ellorecurrimos al concepto de hibridación.

Mantener a los orbitales atómicos 2s y 2px no permite describir la geometría lineal(GEE) pues estos dos orbitales no forman un ángulo de 180.0 grados entre ellosasí que serán hibridados. Como se combina un orbital s y un orbital 2px entoncesla hibridación resultante serán dos orbitales híbridos sp.

Recuerda que combinamos dos orbitales en Be porque este “átomo central” tieneasociadas dos entidades electrónicas en su entorno.

De esta forma, los orbitales de Be quedan:

Entonces:

4

2s 2px sp sp

Hibridación de orbitales

1s 1ssp sp

BeH H

Modelo y teorías

Para finalizar la descripción de la molécula BeH2 realizaremos un último análisisque denominaremos “descripción de enlace” para mencionar las contribuciones delos orbitales a la formación de enlaces.

En esta “descripción de enlace” debe observarse la geometría molecular además deque los pares de electrones de enlace serán sustituidos por líneas y los pares deelectrones libres no se escriben.

En el caso de la teoría unión–valencia, al enlace formado por orbitales híbridos se

H Be Hx x x x H – Be – H

En el caso de la teoría unión–valencia, al enlace formado por orbitales híbridos sele conoce como enlace sigma s, exceptuando al átomo de hidrógeno pues suorbital no se puede hibridar. De esta forma, las contribuciones a los enlaces son:

CUIDADO. En la teoría de orbitales moleculares el concepto sigma, s, hacereferencia al orbital molecular y tiene que ver con la conservación de la simetría alrotar en el eje internuclear.

5

H – Be – H

s sp(Be)/1s(H)

s sp(Be)/1s(H)

GEE LinealDióxido de carbono, CO2.

Obtengamos la configuración electrónica de cada átomo.

C 1s22s22p2 O 1s22s22p4

El número total de electrones es dieciséis. Si el átomo de C es el átomo central,entonces, la estructura de Lewis será:

Pero en esta estructura el C no tiene ocho electrones por lo que se formaránenlaces múltiples tomando dos electrones de cada oxígeno:

O C Ox x x xx x

x x

x x

x x

x xx x

enlaces múltiples tomando dos electrones de cada oxígeno:

El valor de la carga formal en cada átomo es:

CFC = 4 – 0 – (8/2) = 0 CFO = 6 – 4 – (4/2) = 0

Al ser las cargas formales cero y la molécula neutra podemos decir que laestructura de Lewis propuesta es correcta.

Dado que C tiene dos entidades electrónicas en su entorno, los “enlaces dobles”cuentan como un enlace, entonces, su GEE será lineal y como las dos entidadeselectrónicas están asociadas con enlaces entonces la GM será lineal.

6

O C Ox xx x

x x

x x

x xx x

x xx x

GEE Lineal

Ahora pensemos en el modelo de cajas de cada átomo para explicar la estructurade Lewis.

C O

En el caso de O no tenemos conflicto pues en la estructura de Lewis se ve quecada O tiene dos pares de electrones libres y requiere dos electrones desapareadospara unirse con los electrones de C.

En el caso de C se requieren cuatro electrones desapareados, dos para cada

2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

En el caso de C se requieren cuatro electrones desapareados, dos para cadaenlace con O, por lo que habrá que desaparear al electrón del orbital 2s ytransferirlo al orbital 2py. Lo anterior se escribe Y2,0,0,–1/2 → Y2,1, –1,1/2, con lo queel arreglo electrónico en C será:

C

Ahora podemos aparear dos electrones de cada O con dos de C.

2s 2px 2pz 2py

2s 2px 2pz 2py

COO

2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

La “unión” de orbitales es arbitraria

7

GEE Lineal

Una vez explicada la estructura de Lewis, requerimos explicar la GEE y para ellorecurrimos al concepto de hibridación.

Empecemos con el átomo central, C. Mantener a los orbitales atómicos 2s y 2px nonos permite describir la geometría lineal (GEE) pues estos dos orbitales no formanun ángulo de 180.0 grados entre ellos así que serán hibridados. Como se combinaun orbital s y un orbital 2px entonces la hibridación resultante serán dos orbitaleshíbridos sp. Los orbitales 2pz y 2py se mantienen “puros”. Recuerda quecombinamos dos orbitales en C porque este “átomo central” tiene asociadas dosentidades electrónicas en su entorno.

De esta forma, los orbitales de C quedan:

En el caso del O este tiene tres entidades electrónicas en su entorno (dos pares deelectrones libres y un “enlace doble”), entonces, su GEE será triangular y deberácombinar tres de sus orbitales atómicos (2s, 2px, 2pz) para generar tres orbitaleshíbridos que serán denominados orbitales híbridos sp2. El orbital 2py se queda“puro”.

8

Hibridación de orbitales

2s 2px 2pz 2py sp sp 2pz 2py

Hibridación de orbitales

2s 2px 2pz 2py sp2 sp2 sp2 2py

GEE Lineal

Con la nueva distribución de orbitales en el átomo de C, híbridos sp, se explica lageometría lineal (GEE).

Ahora podemos describir los enlaces.

Como entre C y O existe un “enlace doble”, entonces, el enlace tiene doscontribuciones, una denominada sigma y otra pi. La contribución sigma, s, estáasociada al traslape de orbitales híbridos mientras que la contribución pi, p, estáasociada al traslape de orbitales “puros”.

9

O = C = Os sp(C)/sp2

(O) s sp(C)/sp2(O)

p 2pz(C)/2py(O) p 2py(C)/2py(O)

sp sp 2pz 2py

COsp2 sp2 sp2 2py sp2 sp2 sp2 2py

O

La “unión” para la contribución p es arbitraria

GEE LinealMonóxido de carbono, CO.

Obtengamos la configuración electrónica de cada átomo.

C 1s22s22p2 O 1s22s22p4

El número total de electrones es diez. Dado que hay dos átomos no es posibleestablecer qué átomo es el central. La estructura de Lewis será:

Pero en esta estructura el C no tiene ocho electrones por lo que se formaránenlaces múltiples tomando dos pares de electrones del átomo de O:

C Ox xx x

x xx x

x x

enlaces múltiples tomando dos pares de electrones del átomo de O:

El valor de la carga formal en cada átomo es:

CFC = 4 – 2 – (6/2) = –1 CFO = 6 – 2 – (6/2) = 1

En este caso las cargas formales no dan cero y la molécula es neutra pero notenemos forma de acomodar los electrones de forma que C y O tengan ochoelectrones y su carga formal sea cero. Además, la evidencia experimental apunta aque en la molécula monóxido de carbono existe un “enlace triple” entre C y O asíque nos toca explicar esta anomalía en la carga formal.

10

C Ox xx xx xx

x x x

GEE LinealTen mucho cuidado con la explicación que haremos de esta molécula pues es uncaso especial que pocas veces se presenta y no puedes plantearlo a la ligera. Esnuestro último recurso.

En algunos casos la existencia de cargas formales diferente de cero requiere de untipo especial de enlace covalente, el cual es denominado enlace covalentecoordinado. En este enlace uno de los dos átomos aporta el par de electrones deenlace.

El átomo que aporta los electrones es el que aparece con la carga formal positiva yel átomo que recibe el par de electrones es el átomo con la carga formal negativa.el átomo que recibe el par de electrones es el átomo con la carga formal negativa.

Para plantear la existencia del enlace covalente coordinado las cargas formalesdeben estar siempre “en pares”; es decir, una positiva y otra negativa.

En serio, en serio, ten mucho CUIDADO con el enlace covalente coordinado, debesjugar con la estructura de Lewis hasta que te canses buscando que la cargasformales sean preferentemente cero, pero si no puedes y siempre te aparecen los“pares” de carga formal, entonces, si piensas en la posibilidad del enlace covalentecoordinado.

Las moléculas formadas por elementos representativos en los que podemosplantear la existencia del enlace covalente coordinado son escasas, así que enserio no plantees este tipo de enlace a la ligera. 11

GEE LinealDado que C y O tienen dos entidades electrónicas en su entorno, un “enlace triple”y un par de electrones, entonces la GEE será lineal y como una de las dosentidades es un par de electrones la GM será lineal.

Ahora pensemos en el modelo de cajas de cada átomo para explicar la estructurade Lewis en la cual aparecen seis electrones de enlace entre C y O pero, por elefecto de la carga formal, dos de esos seis electrones vienen del átomo de Omientras que los otros cuatro electrones de enlace, son dos de C y dos de O.

C O2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

En el caso de O no tenemos conflicto pues en la estructura de Lewis el átomo de Odebe tener un par de electrones libre y un par de electrones para compartir a C asícomo dos electrones desapareados para unirse con los electrones de C.

En el caso de C se requieren dos electrones desapareados, un par de electroneslibres y un orbital vacío para recibir los dos electrones que le va a dar el O.

C O2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

La “unión” de orbitales es arbitraria

12

GEE Lineal

Una vez explicada la estructura de Lewis, requerimos explicar la GEE y para ellorecurrimos al concepto de hibridación.

Ya hemos visto que para explicar la geometría lineal de la GEE, debemos combinarun orbital s con un orbital p para formar los dos orbitales híbridos sp que están a180.0 grados pero tenemos un “pequeño problema”.

El caso de combinar los orbitales 2s y 2px de C lleva a que el orbital vacío 2py

quede “puro” y formará contribuciones p. Si hacemos la misma combinación enlos orbitales de O, combinar al orbital 2s y 2px, entonces el par de electrones quese va a donar al enlace quedaría en un híbrido y este formaría contribuciones s.se va a donar al enlace quedaría en un híbrido y este formaría contribuciones s.Aquí hay una incoherencia pues el orbital que tienen el par de electrones de O y elorbital vacío de C deben de ser ambos híbridos o ambos puros para “enlazarse”.

Cuando entre dos átomos existe un “enlace múltiple”, con la presencia de un parde electrones de un átomo para formar el enlace, buscaremos que la donación seade contribución pi. Pero si el enlace entre los dos átomos es “sencillo” el enlacecovalente coordinado será de contribución sigma.

Para obligar que la donación del par de electrones de O esté en contribución pihibridaremos en el átomo de O el orbital 2s y el 2pz (podría ser 2py, es indiferente).

13

GEE LinealDado la explicación anterior, después de hibridar los orbitales en cada átomoquedarán:

C O

Con la nueva distribución de orbitales en el átomo de C y O, híbridos sp, seexplica la geometría lineal (GEE).

Ahora podemos describir los enlaces.

Como entre C y O existe un “enlace triple”, entonces, el enlace tiene tres

sp sp 2pz 2py sp 2px sp 2py

Como entre C y O existe un “enlace triple”, entonces, el enlace tiene trescontribuciones, una sigma, s, (traslape de orbitales híbridos) y dos contribucionespi, p, (traslape de orbitales “puros”).

C Osp sp 2pz 2py sp 2px sp 2py

C ≡ Os sp(C)/sp(O)

p 2pz(C)/2py(O) p 2py(C)/2px(O)

14

GEE LinealIon nitronio, NO2

+.

Obtengamos la configuración electrónica de cada átomo.

N 1s22s22p3 O 1s22s22p4

El átomo de N aporta 5 y el átomo de O aporta 6, pero la molécula perdió unelectrón, por lo tanto tenemos dieciséis electrones en total. Asumiendo que elátomo de N es el átomo central, la estructura de Lewis será:

Pero en esta estructura el N no tiene ocho electrones por lo que se formarán

O N Ox x x xx x

x x

x x

x x

x xx x

Pero en esta estructura el N no tiene ocho electrones por lo que se formaránenlaces múltiples tomando dos electrones de cada oxígeno:

El valor de la carga formal en cada átomo es:

CFN = 5 – 0 – (8/2) = 1 CFO = 6 – 4 – (4/2) = 0

Que la carga formal en N sea 1 es adecuado porque el ion molecular tiene cargaeléctrica 1+, lo cual coincide con el cálculo. Es común que en los cationesmoleculares la carga positiva esté soportada en el átomo central. Así que podemosdecir que la estructura de Lewis propuesta es correcta.

15

O N Ox xx x

x x

x x

x xx x

x xx x

GEE Lineal

Ahora pensemos en el modelo de cajas de cada átomo para explicar la estructurade Lewis.

N O

En el caso de O no tenemos conflicto pues en la estructura de Lewis se ve quecada O tiene dos pares de electrones libres y requiere dos electrones desapareadospara unirse con los electrones de N.

En el caso de N se requieren cuatro electrones desapareados, dos para cadaenlace con O, además de retirar un electrón por efecto de la carga formal. Para

2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

enlace con O, además de retirar un electrón por efecto de la carga formal. Pararetirar un electrón del átomo de N, elegiremos el b del orbital 2s para tener loscuatro electrones desapareados. Lo anterior se escribe Y2,0,0,–1/2 → Y∞.

N

Ahora podemos aparear dos electrones de cada O con dos de N.2s 2px 2pz 2py

2s 2px 2pz 2py

NOO

2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

La “unión” de orbitales es arbitraria

16

GEE Lineal

Una vez explicada la estructura de Lewis, requerimos explicar que la GEE es linealy para ello recurrimos al concepto de hibridación.

En el caso del átomo de N, al tener dos entidades electrónicas en su entorno (dos“enlaces dobles”) deberá combinar dos orbitales (2s y 2px) para obtener dosorbitales híbridos sp. Los orbitales 2pz y 2py se mantienen “puros”.

En el caso del átomo de O, al tener tres entidades electrónicas en su entorno (dospares de electrones libres y un “enlace doble”), deberá combinar tres de susorbitales (2s, 2px, 2pz) para generar tres orbitales híbridos sp2. El orbital 2py sequeda “puro”.queda “puro”.

Con la nueva distribución de orbitales en N se explica la geometría lineal (GEE).

Ahora podemos describir los enlaces.

Como entre N y O existe un “enlace doble”, entonces, el enlace tiene doscontribuciones, una sigma, s, (traslape de orbitales híbridos) y una pi, p, (traslapede orbitales “puros”).

17

sp sp 2pz 2pyN O

sp2 sp2 sp2 2py

GEE Lineal

O = N+ = O

p 2pz(N)/2py(O) p 2py(N)/2py(O)

sp sp 2pz 2py

NOsp2 sp2 sp2 2py sp2 sp2 sp2 2py

O

La “unión” para la contribución p es arbitraria

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O = N+ = Os sp(N)/sp2

(O) s sp(N)/sp2(O)

Observa que en la representación de la molécula se muestra la existencia de lacarga eléctrica positiva del ion molecular. La carga se debe colocar en el átomoque la posee según la carga formal.

CUIDADO. Cuando la carga formal se debe a la presencia de donación de un parde electrones, estas no se colocan en los átomos pues no es una carga eléctrica“químicamente activa” es una carga debido al enlace covalente coordinado.

GEE LinealIon cianuro, CN–.

Obtengamos la configuración electrónica de cada átomo.

C 1s22s22p2 N 1s22s22p3

El átomo de N aporta 5 y el átomo de C aporta 4, pero la molécula ganó unelectrón, por lo tanto tenemos diez electrones en total. Como solo existen dosátomos la estructura de Lewis será:

Pero en esta estructura el C no tiene ocho electrones por lo que se formará un

C Nx xx x

x xx x

x x

Pero en esta estructura el C no tiene ocho electrones por lo que se formará unenlace múltiple tomando dos pares de electrones del átomo de N:

El valor de la carga formal en cada átomo es:

CFC = 4 – 2 – (6/2) = –1 CFN = 5 – 2 – (6/2) = 0

Que la carga formal en C sea –1 es adecuado porque el ion molecular tiene cargaeléctrica 1–, lo cual coincide con el cálculo. Así que podemos decir que laestructura de Lewis propuesta es correcta.

19

C Nx xx xx xx

x x x

GEE Lineal

Dado que C y N tienen dos entidades electrónicas en su entorno, un “enlace triple”y un par de electrones, entonces la GEE será lineal y como una de las dosentidades es un par de electrones la GM será lineal.

Ahora pensemos en el modelo de cajas de cada átomo para explicar la estructurade Lewis en la cual aparecen seis electrones de enlace entre C y N.

C N

En el caso de N no tenemos conflicto pues en la estructura de Lewis el átomo de Ndebe tener tres electrones desapareados para unirse con tres electrones del átomo

2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

debe tener tres electrones desapareados para unirse con tres electrones del átomode C así como un par de electrones libre.

En el caso de C tenemos dos opciones para explicar la estructura de Lewis.

• Opción 1. El C requieren cuatro electrones desapareados, tres para unirse conlos electrones de N y uno más para unirse con la carga externa que viene delinfinito (la carga eléctrica del ion).

• Opción 2. El electrón que viene del infinito (carga eléctrica del ion) entra en elorbital 2py lo que nos brinda los tres electrones desapareados para unirse con loselectrones de N.

20

GEE LinealEn este punto seré completamente honesto y te diré por qué prefiero la opción 1frente a la opción 2 pero tu podrás desarrollar las cosas como mejor consideres.

La opción 2 es completamente válida pero desde mi perspectiva no es del todocorrecta porque estaríamos diciendo que el electrón que viene del exterior es unelectrón que está situado entre los átomos de C y N. Esta idea es un poco extrañapero ten presente que los electrones son indistinguibles así que es “posible”.

La opción 1 me parece más adecuada porque si piensan, por ejemplo, en HCN(ácido cianhídrico) cuando este se disocia en H+ y CN–, el hidrógeno le deja suelectrón al ion, es decir, el electrón que tiene el C (debido a la carga formal) noforma parte del triple enlace que existe en ácido cianhídrico (H–C≡N) sino que se leasocia directamente al C pues estaba enlazado a H.

Por esta razón yo “jugaré” pensando en la opción 1.

Para poder explicar la estructura de Lewis siguiendo la opción 1, el átomo de Crequieren cuatro electrones desapareados, tres para unirse con los electrones de Ny uno más para unirse con la carga externa que viene del infinito (la cargaeléctrica del ion). Por esto, el átomo de carbono tiene asociadas las siguientestransferencias electrónicas:

Y2,0,0,–1/2 → Y2,1, –1, 1/2, (2s →2py)

Y∞ → Y2,0, 0, – 1/2, (Infinito →2s) 21

GEE Lineal

Dado la explicación anterior, los átomos quedarán con la siguiente distribuciónelectrónica:

Ahora podemos aparear los electrones de C con los electrones de N.

2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

La “unión” de orbitales es arbitraria

Una vez explicada la estructura de Lewis, requerimos explicar la GEE lineal y paraello recurrimos al concepto de hibridación.

En los átomos de C y N ambos tienen dos entidades electrónicas en su entorno asíque deberá combinar dos orbitales (2s y 2px) para obtener dos orbitales híbridossp. Los orbitales 2pz y 2py se mantienen “puros”.

C N2s 2px 2pz 2py 2s 2px 2pz 2py

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arbitraria

GEE LinealCon la nueva distribución de orbitales en el átomo de C y N, híbridos sp, seexplica la geometría lineal (GEE).

Ahora podemos describir los enlaces.

Como entre C y N existe un “enlace triple”, entonces, el enlace tiene trescontribuciones, una sigma, s, (traslape de orbitales híbridos) y dos contribucionespi, p, (traslape de orbitales “puros”).

La “unión” para la contribución p es arbitraria

Observa que en la representación de la molécula se muestra la existencia de lacarga eléctrica negativa del ion molecular. La carga se debe colocar en el átomoque la posee según la carga formal.

C Nsp sp 2pz 2py sp sp 2pz 2py

–C ≡ Ns sp(C)/sp(N)

p 2pz(C)/2pz(N) p 2py(C)/2py(N)

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Ejercicio a resolver.

1) Para las siguientes moléculas con GEE lineal desarrolla:

A) Estructura de Lewis y carga formal en cada átomo.

B) Justificación de la estructura de Lewis empleando el modelo de cajas paracada átomo. Enfatiza la presencia de transferencias electrónicas.

C) Explicación de la GEE basada en la hibridación de los orbitales.

D) Geometría molecular con base en el átomo central.D) Geometría molecular con base en el átomo central.

E) Descripción de los enlaces.

Una única opción de estructura: FCN, NO+, CS2

Mas de una opción de estructura: [NCO] –, N2O, N3–, [SCN]–

2) Realiza las descripción completa del “grupo funcional” alquino, C22–,

incluyendo todo lo visto en esta presentación y el orbital molecular…¿observas semejanzas? ¿discrepancias? ¿qué puedes concluir?

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