La geometria delle molecole: teoria VSEPR

La geometria delle molecole: teoria VSEPR

I legami covalenti sono direzionali, nel senso che essi formano tra loro angoli caratteristici che determinano la geometria della molecola. La geometria di una molecola e di conseguenza gli angoli di legame possono essere previsti in modo semplice applicando la teoria VSEPR (Valence-Shell Electron-Pairs Repulsion = repulsione tra doppietti elettronici dello strato di valenza).

Secondo tale teoria i doppietti elettronici più esterni (strato di valenza), essendo carichi negativamente, si respingono, tendendo a disporsi il più lontano possibile gli uni dagli altri, in modo da rendere minima la forza repulsiva e più stabile l'intera molecola.

La teoria prevede inoltre che i doppietti solitari (non impegnati in legami) tendano ad occupare un volume maggiore rispetto ai doppietti elettronici condivisi (impegnati in legami) ed esercitino pertanto una forza repulsiva più intensa. In prima approssimazione possiamo stilare la seguente graduatoria relativa dell'intensità della repulsione esercitata tra coppie di elettroni

repulsione tra coppie solitarie  > repulsione tra coppie solitarie e coppie di legame > repulsione tra coppie di legame

Inoltre nella teoria VSEPR i legami doppi e tripli vengono considerati alla stregua di legami semplici e la geometria di una molecola dipende unicamente dal numero di legami (indifferentemente semplici, doppi o tripli) e di coppie solitarie che presenta l'atomo centrale (numero sterico)

numero sterico = numero legami + numero coppie solitarie

La geometria di una molecola è determinata dal suo numero sterico (NS)

A)   NS=2 - Geometria lineare (AX₂)

Molecole con due soli legami e nessun doppietto solitario (AX₂) risultano lineari, con le coppie di legame che, respingendosi, si dispongono equidistanti, formando angoli di legame di 180°

X―A―X

Come abbiamo detto, i legami possono essere indifferentemente singoli, doppi o tripli. Presentano, ad esempio, geometria lineare l'idruro di Berillio (BeH₂), l'anidride carbonica (CO₂) e l'acido Cianidrico (HCN)

H―Be―H                  O=C=O H―C ≡ N

B)   NS=3 - Geometria trigonale planare (AX₃, AX₂E)

- Molecole con tre legami e nessun doppietto solitario (AX₃) risultano trigonali planari, con le coppie di legame disposte equidistanti su di un piano, con angoli di legame di 120°. Presentano, ad esempio, geometria trigonale planare il cloruro di Boro (BCl₃) e la formaldeide (H₂CO).

- Molecole con due legami ed un doppietto solitario (AX₂E) risultano angolate, con un angolo di legame leggermente inferiore a 120° a causa della maggior repulsione del doppietto solitario sui doppietti di legame. Presenta una geometria angolata (derivata da una trigonale planare) l'anidride solforosa (SO₂)

C)   NS=4 - Geometria tetraedrica (AX₄, AX₃E, AX₂E₂)

- Molecole con quattro legami e nessun doppietto solitario (AX₄) risultano tetraedriche, con le coppie di legame disposte equidistanti ed angoli di legame di 109,5°. E' il caso del metano (CH₄). la cui molecola, come tutte le molecole tridimensionali, può essere rappresentata con  legami a cuneo. Si utilizzano cunei pieni per rappresentare i legami che escono dal piano avvicinandosi all'osservatore e cunei tratteggiati per rappresentare i legami che si allontanano.

- Molecole con tre legami ed un doppietto solitario (AX₃E) presentano una geometria piramidale di derivazione tetraedrica, con la coppia solitaria ad un vertice del tetraedro che comprime gli angoli di legame, portandoli ad un valore inferiore rispetto a quello caratteristico della geometria tetraedrica. E' il caso dell'ammoniaca (NH₃). la cui molecola piramidale presenta angoli di legame di circa 107°.

- Molecole con due legami e due doppietti solitari (AX₂E₂) presentano una geometria angolata di derivazione tetraedrica, con le due coppie solitarie ai due vertici del tetraedro che esercitano una forte repulsione e comprimono l'angolo di legame, portandolo ad un valore inferiore rispetto a quello caratteristico della geometria tetraedrica.  E' il caso dell'acqua (H₂O). la cui molecola angolata presenta un angolo di legame di 104,5°.

D)   NS=5 - Geometria bipiramidale trigonale (AX₅, AX₄E, AX₃E₂, AX₂E₃)

- Molecole con cinque legami e nessun doppietto solitario (AX₅) risultano bipiramidali trigonali, con tre legami che si dispongono su di un piano (legami equatoriali) a 120° l'uno dall'altro e gli altri due legami (legami assiali) disposti perpendicolarmente, uno sopra e l'altro sotto al piano equatoriale, a formare due piramidi a base triangolare unite per la base. E' il caso del Pentacloruro di Fosforo (PCl₅).

E)    NS=6 - Geometria ottaedrica (AX₆, AX₅E, AX₄E₂, AX₃E₃, AX₂E₄)

- Molecole con sei legami e nessun doppietto solitario (AX₆) risultano ottaedriche con quattro legami equatoriali distanziati di 90° e due legami assiali. Presenta questa geometria  l'Esafluoruro di Zolfo (SF₆).

F)    NS=7 - Geometria bipiramidale pentagonale (AX₇, AX₆E, AX₅E₂, AX₄E₃, AX₃E₄, AX₂E₅)

- Molecole con sette legami e nessun doppietto solitario (AX₇) risultano bipiramidali con cinque legami equatoriali distanziati di 72° e due legami assiali. Presenta questa geometria l'Eptafluoruro di Iodio (IF₇).

Naturalmente in tutte le strutture, l'eventuale presenza di doppietti solitari modifica la geometria originaria, comprimendo gli angoli dei legami residui.