Pregunta 4 · Química Bàsica I UB 2021

a. Dibuixeu les estructures de Lewis més representatives per a cadascuna d'aquestes dues espècies.

Solución: Àcid fosfòric ($\mathrm{H_3PO_4}$): L'àtom central de fòsfor s'enllaça a tres grups hidroxil mitjançant enllaços senzills $\mathrm{P - OH}$ i a un àtom d'oxigen terminal mitjançant un enllaç doble $\mathrm{P = O}$ (per minimitzar càrregues formals, amb el fòsfor expandint octet a 10 electrons), o bé mitjançant un enllaç senzill $\mathrm{P^+ - O^-}$ respectant la regla de l'octet. La forma amb $\mathrm{P = O}$ té càrregues formals nul·les a tots els àtoms. Anió fosfat ($\mathrm{PO_4^{3-}}$): Té quatre formes ressonants equivalents si considerem un doble enllaç $\mathrm{P = O}$ i tres enllaços simples $\mathrm{P - O^-}$, o bé una estructura amb un $\mathrm{P^+}$ i quatre oxígens amb càrrega $-1$. L'híbrid de ressonància distribueix de forma totalment simètrica l'enllaç i la càrrega entre els 4 oxígens (ordre d'enllaç 1,25).

b. S'ha mesurat experimentalment que la longitud de l'enllaç P - O en l'ió fosfat és idèntica per a tots els enllaços i val 160±. En canvi, per a l'àcid fosfòric s'observen dues longituds diferents: 148± i 161±. Justifiqueu acuradament aquests fets.

Solución: A l'ió $\mathrm{PO_4^{3-}}$, a causa de la ressonància entre les 4 estructures equivalents, tots quatre enllaços $\mathrm{P - O}$ són absolutament equivalents, amb un ordre d'enllaç intermedi (1,25), fet que explica una única distància interatòmica de $160\pm$. En l'àcid fosfòric, en canvi, no hi ha aquesta degeneració per simetria: hi ha tres enllaços senzills $\mathrm{P - O(H)}$ i un enllaç doble terminal $\mathrm{P = O}$. Els enllaços simples són més llargs ($161\pm$), mentre que el doble enllaç terminal té major ordre d'enllaç i és significativament més curt ($148\pm$).

c. En l'anió fosfat, presenten tots els àtoms d'oxigen la mateixa càrrega elèctrica? Raoneu la resposta.

Solución: Sí. Per simetria i efecte de la ressonància, les quatre estructures canòniques contribueixen de manera equivalent a l'híbrid de ressonància. Per tant, la càrrega neta de -3 es reparteix equitativament entre els quatre àtoms d'oxigen, tocant a cadascun una càrrega parcial de $-3/4 = -0,75$.