Pregunta 5 · Química Bàsica I UB 2021

Dibuix de la geometria i estructura de la molècula de nitrat de metil.

Solución: Dibuix representatiu de la molècula $\mathrm{CH_3-O-NO_2}$ mostrant la disposició tetraèdrica al voltant del carboni, l'enllaç angular a l'oxigen pont amb dos parells solitaris, i el grup nitrat terminal pla amb geometria trigonal plana al nitrogen i formes ressonants entre els dos oxígens terminals.

a. Dibuixeu i indiqueu el nom de la geometria electrònica i de la forma molecular al voltant de cada àtom central (C, l'oxigen que fa de pont i N), justificant els valors dels angles d'enllaç mesurats experimentalment.

Solución: • Carboni (C): Té 4 parells d'enllaç $\sigma$. Geometria electrònica i molecular: *tetraèdrica* (angles propers a $109{,}5^\circ$). • Oxigen pont ($\mathrm{-O-}$): Té 2 enllaços $\sigma$ i 2 parells no enllaçants. Geometria electrònica: *tetraèdrica*; forma molecular: *angular*. Els dos parells solitaris exerceixen una repulsió més forta que els enllaçants, tancant l'angle ideal de $109{,}5^\circ$ fins a $105^\circ$. • Nitrogen (N): Està enllaçat a 3 àtoms d'oxigen sense cap parell solitari (nombre estèric 3). Geometria electrònica i molecular: *trigonal plana*. L'angle d'enllaç entre els dos oxígens terminals és de $125^\circ$ (superior a l'ideal de $120^\circ$) perquè l'enllaç $\mathrm{N - O}$ terminal posseeix caràcter parcial de doble enllaç i la major densitat electrònica repel·leix amb més intensitat.

b. Indiqueu l'estat d'hibridació de cadascun dels àtoms centrals, així com els orbitals atòmics o híbrids implicats en cada tipus d'enllaç i la seva naturalesa (sigma o pi).

Solución: • Àtom de carboni: hibridació $sp^3$. Enllaços $\mathrm{C - H}$: $\sigma(sp^3(\mathrm{C}) - 1s(\mathrm{H}))$. Enllaç $\mathrm{C - O}$: $\sigma(sp^3(\mathrm{C}) - sp^3(\mathrm{O}))$. • Oxigen pont: hibridació $sp^3$. Enllaç amb el nitrogen: $\sigma(sp^3(\mathrm{O}) - sp^2(\mathrm{N}))$. • Nitrogen: hibridació $sp^2$. Enllaços $\sigma$ amb els oxígens terminals formats per solapament $sp^2(\mathrm{N}) - 2p(\mathrm{O})$ (o $sp^2$). L'orbital $2p_z$ pur restant del nitrogen forma un sistema deslocalitzat $\pi$ amb els orbitals $2p_z$ dels oxígens terminals.

c. Expliqueu per què no són iguals totes les longituds d'enllaç N - O.

Solución: L'oxigen que uneix el nitrogen al grup metil forma un enllaç purament senzill $\mathrm{N - O}$, per la qual cosa és més llarg ($136\pm$). Els altres dos oxígens terminals comparteixen un doble enllaç deslocalitzat per ressonància amb el nitrogen (ordre d'enllaç 1,5), fent que aquests dos enllaços siguin equivalents, més forts i considerablement més curts ($126\pm$).

d. Quins àtoms de la molècula estan obligats a romandre sempre en un mateix pla?

Solución: A causa de la geometria trigonal plana del nitrogen ($sp^2$), el nitrogen i els tres àtoms d'oxigen directament units a ell (N, l'oxigen pont i els dos oxígens terminals, és a dir, el fragment $\mathrm{-O-NO_2}$) estan confinats estrictament en el mateix pla.