Geometría molecular

De la estructura de Lewis a la forma

Primero, la estructura de Lewis

Empieza por los electrones de valencia y una estructura de Lewis. Alrededor del átomo central, cada enlace cuenta como un dominio electrónico —también un enlace doble o triple— y cada par solitario cuenta como otro dominio.

La notación AX_nE_m resume un átomo central A, n átomos enlazados X y m pares solitarios E. El modelo VSEPR predice entonces una disposición de esos dominios que minimiza las repulsiones.

VSEPR es un modelo de regiones de densidad electrónica, no una imagen de electrones como bolas fijas. Su utilidad reside en representar suficiente física de repulsión para predecir con rapidez muchas geometrías de elementos de los grupos principales.

Geometría de dominios electrónicos frente a forma molecular

H₂O también parte de cuatro dominios, pero dos son pares solitarios. Su forma molecular es angular.

Los pares solitarios modifican los ángulos

La densidad electrónica de un par solitario se concentra cerca de un solo núcleo en vez de compartirse entre dos, por lo que ocupa más espacio angular alrededor del átomo central. El orden cualitativo de repulsión es:

Esto explica la secuencia CH₄ 109,5°, NH₃ aproximadamente 107° y H₂O aproximadamente 104,5°. Los ángulos medidos muestran que una «geometría electrónica tetraédrica» no obliga a todas las moléculas a presentar el ángulo tetraédrico ideal.

Más allá de cuatro dominios electrónicos

Cinco y seis dominios

Una bipirámide trigonal tiene posiciones axiales y ecuatoriales. Las posiciones axiales sufren tres interacciones de 90°, mientras que una ecuatorial solo dos. Por eso un par solitario prefiere una posición ecuatorial: SF₄ adopta una forma de balancín y ClF₃ una forma de T.

Seis dominios forman una disposición octaédrica. Sustituir una posición atómica por un par solitario produce una geometría piramidal cuadrada; dos pares solitarios opuestos pueden dejar una forma molecular cuadrada plana, como en XeF₄.

Mini explorador VSEPR

Enlaces múltiples y ángulos de enlace reales

Un enlace doble o triple cuenta como un único dominio VSEPR porque ocupa una sola dirección desde el átomo central, pero contiene más densidad electrónica que un enlace simple y puede repeler con mayor intensidad los dominios vecinos.

Los ángulos de enlace reales son magnitudes medidas, no resultados exactos de un simple recuento de dominios. El tamaño de los sustituyentes, los enlaces múltiples, la electronegatividad y el carácter de los pares solitarios pueden desviarlos de los valores ideales.

Métodos estructurales como la difracción de electrones en fase gaseosa, la espectroscopia rotacional y la difracción de rayos X o de neutrones proporcionan geometrías experimentales.

Interpretar y utilizar la forma molecular

Geometría y polaridad molecular

Los dipolos de enlace son vectores. La simetría puede hacer que enlaces polares se compensen, como en CO₂ lineal o BF₃ trigonal plano. En H₂O angular o NH₃ piramidal trigonal, los dipolos de enlace no se anulan.

La forma también controla la accesibilidad estérica y la aproximación de los orbitales, de modo que la geometría molecular influye en las rutas de reacción, las interacciones intermoleculares y el reconocimiento molecular.

Ejemplos resueltos: de Lewis a la forma

La lógica es siempre la misma: primero se cuentan los dominios, después se asigna la geometría de dominios y, al nombrar la forma molecular, se omiten las posiciones ocupadas por pares solitarios.

Formas habituales y ejemplos

Representar una molécula 3D en una página 2D

Los dibujos estructurales utilizan convenciones para representar la profundidad. Una línea normal queda aproximadamente en el plano de la página, una cuña sólida apunta hacia el observador y una cuña discontinua se aleja. Estos símbolos no representan tipos especiales de enlace, sino orientaciones en el espacio tridimensional.

Un carbono tetraédrico no puede representarse fielmente en el papel como cuatro enlaces separados 90°. La convención cuña–trazos recuerda que el ángulo real es de aproximadamente 109,5°.

Las etiquetas de hibridación como sp³ pueden ser útiles más adelante, pero no son necesarias para aplicar VSEPR. Primero debe comprenderse la geometría a partir de los dominios electrónicos; después, los modelos orbitales pueden explicar el enlace con mayor detalle.

Moléculas reales y límites del modelo

Límites de VSEPR

VSEPR funciona especialmente bien para muchas moléculas de los grupos principales. No predice energías de enlace, espectros ni magnetismo y puede fallar en complejos de metales de transición porque los orbitales d parcialmente ocupados introducen efectos de campo de ligandos ausentes en el modelo simple de repulsión.

Los hidruros pesados del bloque p también pueden presentar ángulos de enlace muy alejados de las expectativas tetraédricas. Un modelo es más útil cuando sus límites son explícitos.

Geometría local y conformación molecular son conceptos distintos

VSEPR predice la disposición local alrededor de un átomo central. Una molécula mayor puede contener varios centros de este tipo y adoptar, aun así, muchas conformaciones globales porque los enlaces simples pueden rotar.

El etano, por ejemplo, es aproximadamente tetraédrico alrededor de cada carbono, pero la rotación en torno al enlace C–C produce conformaciones alternadas y eclipsadas. La geometría local de cada carbono no cambia; sí cambia la orientación relativa de los dos grupos tetraédricos.

En anillos y biomoléculas, las preferencias conformacionales pueden dominar la forma tridimensional. La tensión estérica, la tensión torsional, los enlaces de hidrógeno y los efectos del disolvente actúan entonces además de la geometría VSEPR local.

La geometría se mide, no solo se dibuja

La espectroscopia de microondas puede determinar constantes rotacionales en fase gaseosa e inferir longitudes y ángulos de enlace. La difracción de rayos X cartografía la densidad electrónica en cristales, mientras que la difracción de neutrones resulta especialmente útil para localizar núcleos ligeros como el hidrógeno. La difracción de electrones es otra vía para estudiar estructuras en fase gaseosa.

Estas medidas explican por qué valores como el ángulo H–O–H de 104,5° son datos físicos y no cifras decorativas asociadas a un modelo. VSEPR funciona cuando reproduce el patrón general de esas observaciones y falla cuando sus supuestos son demasiado simples.

Ejercicios

SO₂

Dos dominios de enlace S–O y un par solitario rodean a S. Predice la geometría de dominios y la forma molecular.

SF₄

¿Por qué su par solitario ocupa una posición ecuatorial?

XeF₄

Cuatro enlaces y dos pares solitarios rodean al Xe. Predice la forma molecular.