Geometria molecular

La forma comença pels dominis electrònics

El model VSEPR organitza els parells d’electrons al voltant d’un àtom central de manera que les repulsions siguin tan petites com sigui possible. Un enllaç simple, doble o triple compta com un domini electrònic; un parell solitari també compta com un domini.

Amb dos dominis, la disposició electrònica és lineal; amb tres, trigonal plana; amb quatre, tetraèdrica; amb cinc, bipiramidal trigonal; i amb sis, octaèdrica. La geometria molecular només descriu la posició dels àtoms, de manera que pot diferir de la geometria electrònica quan hi ha parells solitaris.

Quatre dominis mostren bé la diferència

Els parells solitaris ocupen espai i repulsen amb força. Per això l’angle H–O–H és menor que l’angle tetraèdric ideal de 109,5°, i l’angle H–N–H de NH₃ també es comprimeix.

Els enllaços múltiples compten com un domini

En CO₂, cada doble enllaç C=O és un únic domini al voltant del carboni. Dos dominis donen una geometria lineal de 180°. Comptar cada línia del dibuix com un domini produiria una predicció equivocada.

Explorador VSEPR

Tria el nombre de dominis i de parells solitaris per veure una predicció introductòria. L’eina assumeix un únic àtom central i no substitueix una anàlisi electrònica completa.

VSEPR és un model, no una causa microscòpica

VSEPR és molt útil per a moltes molècules de grup principal, però no explica per si sol l’origen quàntic de l’enllaç. La hibridació tampoc s’ha d’interpretar com un mecanisme físic que «obliga» la molècula a adoptar una forma: és una manera de descriure orbitals en un model d’enllaç.

Molècules amb electrons deslocalitzats, radicals, compostos hipervalents i molts complexos de metalls de transició poden requerir models d’orbitals moleculars, teoria del camp de lligands o dades estructurals experimentals.

De l’estructura de Lewis a la forma AX_nE_m

El procediment complet comença pels electrons de valència i una estructura de Lewis raonable. Al voltant de l’àtom central, cada enllaç compta com un domini —també un doble o triple— i cada parell solitari compta com un domini.

La notació AX_nE_m resumeix l’àtom central A, n àtoms units X i m parells solitaris E. VSEPR prediu una disposició de dominis que redueix les repulsions; després s’ometen les posicions dels parells solitaris per posar nom a la forma molecular.

L’ordre qualitatiu de repulsió és parell solitari–parell solitari > parell solitari–parell d’enllaç > parell d’enllaç–parell d’enllaç. Per això CH₄ és 109,5°, NH₃ aproximadament 107° i H₂O aproximadament 104,5°.

Cinc dominis: posicions axials i equatorials

Una bipiràmide trigonal té dues classes de posició. Cada posició axial manté tres interaccions de 90°, mentre que una posició equatorial en té dues. Per això un parell solitari prefereix habitualment una posició equatorial: SF₄ adopta una forma de balancí i ClF₃ una forma de T.

Amb sis dominis, la disposició és octaèdrica. Un parell solitari dona una forma piramidal quadrada; dos parells solitaris oposats poden deixar una forma quadrada plana, com a XeF₄.

Formes habituals i exemples

Com representar una molècula 3D en una pàgina 2D

Una línia normal representa un enllaç aproximadament al pla de la pàgina, una falca plena apunta cap a l’observador i una falca ratllada s’allunya. No són tipus d’enllaç diferents: codifiquen orientació tridimensional.

Un carboni tetraèdric no es pot representar fidelment amb quatre enllaços separats 90° sobre el paper. Les falques recorden que l’angle real és proper a 109,5°. Etiquetes com sp³ poden ser útils més endavant, però no són necessàries per executar una predicció VSEPR.

Geometria local, conformació i mesures experimentals

VSEPR prediu la disposició local al voltant d’un centre. Una molècula gran pot contenir diversos centres i adoptar moltes conformacions perquè els enllaços simples poden girar. A l’età, cada carboni continua sent aproximadament tetraèdric mentre la rotació C–C interconverteix conformacions esglaonades i eclipsades.

Els angles i les distàncies reals són dades experimentals. L’espectroscòpia rotacional, la difracció de raigs X o neutrons i la difracció electrònica permeten obtenir geometries. VSEPR és valuós perquè reprodueix molts patrons de grup principal, però no prediu energies d’enllaç, espectres o magnetisme i pot fallar en complexos de metalls de transició.

Ruta treballada: de Lewis a la forma

La lògica és sempre la mateixa: comptar dominis, assignar la geometria de dominis i després ignorar les posicions dels parells solitaris quan es posa nom a la forma molecular.

Enllaços múltiples i angles reals

Un doble o triple enllaç compta com un únic domini VSEPR perquè ocupa una sola direcció des de l’àtom central, però conté més densitat electrònica que un enllaç simple i pot repel·lir una mica més els dominis veïns.

Els angles d’enllaç reals són magnituds mesurades, no resultats exactes d’un simple recompte de dominis. La mida dels substituents, els enllaços múltiples, l’electronegativitat i el caràcter dels parells solitaris poden desplaçar-los respecte dels valors ideals.

La geometria també influeix en la polaritat, l’accessibilitat estèrica i l’orientació dels orbitals, de manera que afecta interaccions intermoleculars i vies de reacció.

Exemples resolts