2.6 Resonancia y carga formal

Pregunta esencial

¿Cómo elegimos el mejor diagrama de Lewis?

Hasta ahora has dibujado un solo diagrama de Lewis para cada molécula. Pero a veces más de un diagrama cumple todas las reglas. Al terminar esta lección, deberías saber cuándo combinar esos diagramas y cuándo usar la carga formal para elegir el mejor.

Estructuras de resonancia

• A veces se pueden dibujar varios diagramas de Lewis válidos para la misma molécula o ion.
• Se llaman estructuras de resonancia. Los átomos se quedan en el mismo lugar; solo cambia la distribución de los electrones.

El ozono, O₃, tiene 18 electrones de valencia (3 × 6). El oxígeno central necesita un enlace doble para que todos completen su octeto, y ese enlace podría ir con cualquiera de los dos oxígenos externos. Ambas estructuras cumplen todas las reglas. Las estructuras de resonancia se unen con una sola flecha de doble punta (↔). Esta no es la flecha de equilibrio, y no significa que haya una reacción.

Cómo dibujar estructuras de resonancia

• Mueve solo pares libres y enlaces dobles.
• Los átomos nunca se mueven. Si mueves un átomo, obtienes otra molécula, no una estructura de resonancia.
• Todas las estructuras de resonancia tienen el mismo número total de electrones.

El ion nitrato, NO₃⁻, tiene 5 + 3(6) + 1 = 24 electrones de valencia. El nitrógeno necesita un enlace doble N=O para tener un octeto, y ese enlace doble podría ir con cualquiera de los tres oxígenos, así que el nitrato tiene tres estructuras de resonancia. Para pasar de una a la siguiente, un par libre se convierte en enlace y un enlace se convierte en par libre. Como el nitrato es un ion, cada estructura va entre corchetes con la carga afuera.

El híbrido de resonancia

• La molécula real es una mezcla de todas sus estructuras de resonancia, llamada híbrido de resonancia.
• No cambia de una estructura a otra de forma alternada.

En el ozono, el par adicional de electrones de enlace se reparte entre los dos enlaces, lo que se muestra con una línea continua más una discontinua. Piensa en una mula, un cruce entre caballo y burro: una mula no es caballo un segundo y burro al siguiente. Siempre es una mula.

La evidencia: un enlace sencillo O–O típico mide cerca de 148 pm y un enlace doble O=O típico mide cerca de 121 pm. Los dos enlaces del ozono miden 128 pm. Son idénticos, y su longitud está entre la de un enlace sencillo y la de uno doble. Un solo diagrama de Lewis no puede explicarlo, pero el híbrido sí.

Orden de enlace en un híbrido

El orden de enlace es el número de enlaces entre dos átomos: 1 para un enlace sencillo, 2 para uno doble y 3 para uno triple. En un híbrido de resonancia, se saca el promedio.

• Orden de enlace promedio = total de enlaces ÷ número de posiciones de enlace
• Ozono: un enlace doble (2) + un enlace sencillo (1) = 3 enlaces, repartidos en 2 posiciones, así que 3 ÷ 2 = 1.5
• Mayor orden de enlace → enlace más corto y más fuerte. Un orden de enlace de 1.5 queda entre un enlace sencillo y uno doble, y la longitud de enlace también.

Carga formal

CF = V − N − ½B

• V = electrones de valencia del átomo neutro (según el número del grupo)
• N = electrones no enlazantes de ese átomo (cuenta cada punto)
• B = electrones de enlace de ese átomo (2 por cada línea)

Como ½B es simplemente el número de líneas que tocan al átomo, hay un atajo: CF = electrones de valencia − (puntos + líneas). La carga formal es una herramienta de contabilidad para comparar diagramas de Lewis. No es una carga real del átomo, y no es lo mismo que una carga parcial que viene de la electronegatividad.

Suma de las cargas formales

• Calcula la carga formal de cada átomo.
• La suma de las cargas formales es igual a la carga total de la molécula o del ion.

En esta estructura del ozono: el O izquierdo es 6 − 4 − 2 = 0, el O central es 6 − 2 − 3 = +1 y el O derecho es 6 − 6 − 1 = −1. La suma es 0, lo que coincide con el O₃ neutro. Revisar la suma es una forma rápida de detectar errores.

Cómo elegir la mejor estructura

Cuando hay dos o más estructuras posibles y no son equivalentes, usa estas reglas en orden:

1. Octetos: dale un octeto a los átomos. C, N, O y F nunca pasan de un octeto.
2. Cargas formales lo más cercanas a cero: mientras haya menos cargas formales y sean más pequeñas, la estructura es más estable.
3. El desempate: cualquier carga formal negativa debe estar en el átomo más electronegativo, el que jala los electrones con más fuerza.

Consejo para el examen: cuando justifiques cuál estructura es la mejor, nombra estas reglas como tu evidencia.

Equivalentes y no equivalentes

• Estructuras equivalentes tienen el mismo patrón con los enlaces en lugares distintos (ejemplos: O₃, NO₃⁻). Todas son igual de buenas, así que usa la resonancia y combínalas.
• Estructuras no equivalentes tienen patrones de carga formal distintos (ejemplos: CO₂, OCN⁻). No son igual de buenas, así que usa la carga formal para elegir la mejor. La mejor estructura es el mejor modelo para predecir la forma y las propiedades de la molécula.

Limitaciones del modelo de Lewis

• Todo modelo tiene límites.
• Si el número de electrones de valencia es impar, queda un electrón sin par.
• Al menos un átomo no puede tener un octeto.

El monóxido de nitrógeno, NO, tiene 5 + 6 = 11 electrones de valencia. Los enlaces y los pares libres usan los electrones en pares, así que siempre sobra un electrón. Alrededor del nitrógeno hay 4 electrones en el enlace doble, 2 en el par libre y 1 electrón sin par, para un total de solo 7. Una molécula con un electrón sin par se llama radical libre, y los radicales suelen ser muy reactivos.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Cómo dibujar estructuras de resonancia

Dibuja todas las estructuras de resonancia del ion nitrito, NO₂⁻.

Mostrar la solución

1. Cuenta los electrones de valencia: N = 5, dos O = 2 × 6 = 12, y la carga negativa suma 1. Total = 5 + 12 + 1 = 18 electrones.
2. Dibuja el esqueleto: pon el N en medio y conecta O–N–O con enlaces sencillos. Dos enlaces usan 4 electrones, y sobran 18 − 4 = 14.
3. Completa los átomos externos: dale tres pares libres a cada O (12 electrones). Los últimos 2 electrones van en el N como un par libre.
4. Revisa el átomo central: el N tiene 2 enlaces y 1 par libre, solo 6 electrones. Necesita un octeto.
5. Haz un enlace doble: convierte un par libre de un oxígeno en un enlace doble N=O. Puede ser el oxígeno izquierdo o el derecho, y ambos son igual de buenos.
6. Respuesta: el nitrito tiene dos estructuras de resonancia equivalentes, cada una entre corchetes con la carga negativa y unidas por una flecha de doble punta.

Revisa con la carga formal: O con enlace doble = 6 − 4 − 2 = 0, N = 5 − 2 − 3 = 0, O con enlace sencillo = 6 − 6 − 1 = −1. La suma es −1, lo que coincide con la carga del ion. Como las estructuras son equivalentes, cada enlace N–O del híbrido tiene un orden de enlace de 1.5.

Ejemplo 2: Cálculo de la carga formal

Calcula la carga formal de cada átomo en este diagrama de Lewis del ion tiocianato, SCN⁻.

Mostrar la solución

1. Fórmula: CF = electrones de valencia − (puntos + líneas)
2. Azufre: grupo 16, así que V = 6. Tiene 4 puntos y 2 líneas. CF = 6 − 4 − 2 = 0
3. Carbono: grupo 14, así que V = 4. Tiene 0 puntos y 4 líneas (dos enlaces dobles). CF = 4 − 0 − 4 = 0
4. Nitrógeno: grupo 15, así que V = 5. Tiene 4 puntos y 2 líneas. CF = 5 − 4 − 2 = −1
5. Revisa la suma: 0 + 0 + (−1) = −1, lo que coincide con la carga −1 del ion.
6. Respuesta: S = 0, C = 0, N = −1

Ejemplo 3: Cómo elegir la mejor estructura

Se muestran dos diagramas de Lewis del N₂O. ¿Cuál es el mejor modelo? Justifica tu respuesta con la carga formal.

Mostrar la solución

1. Estructura A: N del extremo = 5 − 4 − 2 = −1, N del medio = 5 − 0 − 4 = +1, O = 6 − 4 − 2 = 0
2. Estructura B: N del extremo = 5 − 2 − 3 = 0, N del medio = 5 − 0 − 4 = +1, O = 6 − 6 − 1 = −1
3. Reglas 1 y 2: ambas estructuras le dan un octeto a todos los átomos, y ambas tienen un +1 y un −1. Hay empate.
4. Regla 3, el desempate: el oxígeno es más electronegativo que el nitrógeno, así que la carga formal negativa le corresponde al oxígeno.
5. Respuesta: la estructura B es el mejor modelo.

Ejemplo de justificación para el examen: la estructura B es mejor. Ambas estructuras le dan un octeto a todos los átomos y tienen las mismas magnitudes de carga formal, pero en la estructura B la carga formal de −1 está en el oxígeno, el átomo más electronegativo.

Ejemplo 4: Orden de enlace promedio

Se muestra una estructura de resonancia del ion carbonato, CO₃²⁻. Encuentra el orden de enlace promedio de C–O. ¿Cómo se comparan las longitudes de los tres enlaces C–O?

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1. Cuenta el total de enlaces: un enlace doble (2) + dos enlaces sencillos (1 + 1) = 4 enlaces
2. Cuenta las posiciones de enlace: el carbono está unido a 3 oxígenos, así que hay 3 posiciones.
3. Divide: 4 ÷ 3 = 1.33
4. Respuesta: orden de enlace promedio C–O = 1.33
5. Longitudes de enlace: el carbonato tiene tres estructuras de resonancia equivalentes, así que el ion real es una mezcla igual de todas. Los tres enlaces C–O tienen la misma longitud, más corta que un enlace sencillo C–O pero más larga que un enlace doble C=O.

Ejemplo 5: Electrones impares

El dióxido de nitrógeno, NO₂, tiene 17 electrones de valencia. Explica por qué ningún diagrama de Lewis del NO₂ puede darle un octeto a todos los átomos.

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1. Evidencia: N = 5 y cada O = 6, así que 5 + 6 + 6 = 17 electrones de valencia, un número impar.
2. Razonamiento: en un diagrama de Lewis, los enlaces y los pares libres usan los electrones en pares. 17 electrones no se pueden repartir en pares exactos, así que siempre queda un electrón sin par.
3. Respuesta: el átomo que tiene el electrón sin par, normalmente el nitrógeno, tiene solo 7 electrones, así que ningún diagrama de Lewis puede darle un octeto a todos los átomos.

Ejemplo de justificación para el examen: el NO₂ tiene 17 electrones de valencia. Como los electrones de un diagrama de Lewis se colocan en pares, un total impar deja un electrón sin par, así que al menos un átomo tiene menos de 8 electrones. Esta es una limitación del modelo de Lewis.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 2.6 Resonancia y carga formal (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Resonancia: se puede dibujar más de un diagrama de Lewis válido.
• La molécula real es el híbrido de resonancia.
• CF = V − N − ½B (valencia − puntos − líneas).
• Mejor estructura: cargas formales cercanas a 0, con cualquier carga formal negativa en el átomo más electronegativo.

De vuelta a la pregunta esencial: si las estructuras posibles son equivalentes, combínalas en un híbrido de resonancia. Si no lo son, usa los octetos y la carga formal para elegir la mejor. A continuación, el Tema 2.7 usa estos diagramas de Lewis para predecir las formas moleculares con VSEPR.

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