GEOMETRIA MOLECOLARE: CONCETTO, TIPOLOGIE ED ESEMPI - CHIMICA - 2026

La geometria molecolare o struttura molecolare è la disposizione spaziale degli atomi attorno a un atomo centrale. Gli atomi rappresentano regioni in cui è presente un'elevata densità di elettroni, e sono quindi considerati gruppi elettronici, indipendentemente dai legami che formano (singolo, doppio o triplo).

La geometria molecolare di un elemento può caratterizzare alcune delle sue proprietà fisiche o chimiche (punto di ebollizione, viscosità, densità, ecc.). Ad esempio, la struttura molecolare dell'acqua determina la sua solubilità.

Fonte: Gabriel Bolívar

Questo concetto nasce dalla combinazione e dai dati sperimentali di due teorie: quella del legame di valenza (TEV) e quella della repulsione delle coppie elettroniche del guscio di valenza (RPECV). Mentre il primo definisce i legami e i loro angoli, il secondo stabilisce la geometria e, di conseguenza, la struttura molecolare.

Quali forme geometriche sono in grado di adottare le molecole? Le due teorie precedenti forniscono le risposte. Secondo RPECV, gli atomi e le coppie di elettroni liberi devono essere disposti nello spazio in modo tale da ridurre al minimo la repulsione elettrostatica tra di loro.

Quindi, le forme geometriche non sono arbitrarie, ma cercano piuttosto il design più stabile. Ad esempio, nell'immagine sopra puoi vedere un triangolo a sinistra e un ottaedro a destra. I punti verdi rappresentano gli atomi e le strisce arancioni i legami.

Nel triangolo, i tre punti verdi sono orientati a 120º l'uno dall'altro. Questo angolo, che è uguale a quello del legame, consente agli atomi di respingersi il meno possibile. Pertanto, una molecola con un atomo centrale attaccato ad altri tre adotterà una geometria del piano trigonale.

Tuttavia, RPECV prevede che una coppia libera di elettroni nell'atomo centrale distorce la geometria. Per il caso del piano trigonale, questa coppia spingerà verso il basso i tre punti verdi, risultando in una geometria piramidale trigonale.

Lo stesso può accadere anche con l'ottaedro nell'immagine. In esso tutti gli atomi sono separati nel modo più stabile possibile.

Come conoscere in anticipo la geometria molecolare di un atomo di X?

Per questo, è anche necessario considerare le coppie di elettroni liberi come gruppi elettronici. Questi, insieme agli atomi, definiranno quella che è nota come geometria elettronica, che è una compagna inseparabile della geometria molecolare.

Dalla geometria elettronica, e avendo rilevato le coppie di elettroni liberi tramite la struttura di Lewis, è possibile stabilire quale sarà la geometria molecolare. La somma di tutte le geometrie molecolari fornirà un profilo della struttura complessiva.

Tipi di geometria molecolare

Come si può vedere nell'immagine principale, la geometria molecolare dipende da quanti atomi circondano l'atomo centrale. Tuttavia, se è presente una coppia di elettroni non condivisa, modificherà la geometria a causa del suo grande volume. Pertanto, esercita un effetto sterico.

Secondo ciò, la geometria può presentare una serie di forme caratteristiche per molte molecole. Ed è qui che sorgono i diversi tipi di geometria molecolare o struttura molecolare.

Quando la geometria è uguale alla struttura? Entrambi denotano lo stesso solo nei casi in cui la struttura non ha più di un tipo di geometria; altrimenti si dovrebbero considerare tutti i tipi presenti e dare alla struttura un nome globale (lineare, ramificato, globulare, piatto, ecc.).

Le geometrie sono particolarmente utili per spiegare la struttura di un solido dalle sue unità strutturali.

Lineare

Tutti i legami covalenti sono direzionali, quindi il legame AB è lineare. Ma la molecola AB ₂ sarà lineare ? In tal caso, la geometria viene rappresentata semplicemente come: BAB. I due atomi di B sono separati da un angolo di 180º e, secondo TEV, A deve avere orbitali sp ibridi.

Angolare

Fonte: Gabriel Bolívar

Si può ipotizzare in primo luogo una geometria lineare per la molecola AB ₂ ; tuttavia, è essenziale disegnare la struttura di Lewis prima di giungere a una conclusione. Con la struttura di Lewis disegnata, è possibile identificare il numero di coppie di elettroni non condivise (:) sull'atomo A.

Quando è così, le coppie di elettroni sopra A spingono i due atomi di B verso il basso, cambiando i loro angoli. Di conseguenza, la molecola BAB lineare finisce per trasformarsi in una V, un boomerang o una geometria angolare (immagine in alto)

La molecola d'acqua, HOH, è l'esempio ideale per questo tipo di geometria. Nell'atomo di ossigeno ci sono due coppie di elettroni senza condivisione che sono orientati con un angolo di circa 109º.

Perché questo angolo? Perché la geometria elettronica è tetraedrica, che ha quattro vertici: due per gli atomi di H e due per gli elettroni. Nell'immagine in alto, si noti che i punti verdi ei due "lobi con gli occhi" disegnano un tetraedro con il punto blu al centro.

Se O non avesse coppie di elettroni liberi, l'acqua formerebbe una molecola lineare, la sua polarità diminuirebbe e gli oceani, i mari, i laghi, ecc., Probabilmente non esisterebbero come sono conosciuti.

tetraedro

Fonte: Gabriel Bolívar

L'immagine in alto rappresenta la geometria tetraedrica. Per la molecola d'acqua, la sua geometria elettronica è tetraedrica, ma quando si eliminano le coppie libere di elettroni si può notare che si trasforma in una geometria angolare. Ciò si osserva anche semplicemente rimuovendo due punti verdi; gli altri due disegneranno la V con il punto blu.

E se invece di due coppie di elettroni liberi ce ne fosse solo uno? Quindi rimarrebbe un piano trigonale (immagine principale). Tuttavia, rimuovendo un gruppo elettronico, l'effetto sterico prodotto dalla coppia di elettroni liberi non viene evitato. Pertanto, distorce il piano trigonale in una piramide con una base triangolare:

Fonte: Gabriel Bolívar

Sebbene la geometria molecolare della piramide trigonale e tetraedrica siano diverse, la geometria elettronica è la stessa: tetraedrica. Quindi la piramide trigonale non conta come geometria elettronica?

La risposta è no, poiché è il prodotto della distorsione provocata dal “lobo con occhi” e del suo effetto sterico, e questa geometria non tiene conto delle distorsioni successive.

Per questo motivo, è sempre importante determinare prima la geometria elettronica con l'aiuto delle strutture di Lewis prima di definire la geometria molecolare. La molecola di ammoniaca, NH ₃ , è un esempio di geometria molecolare della piramide trigonale, ma con geometria elettronica tetraedrica.

Bipiramide trigonale

Fonte: Gabriel Bolívar

Fino ad ora, ad eccezione della geometria lineare, nella piramide tetraedrica, angolare e trigonale i loro atomi centrali hanno ibridazione sp ³ , secondo TEV. Ciò significa che se i loro angoli di legame fossero determinati sperimentalmente, dovrebbero essere di circa 109º.

Dalla geometria dipiramidale trigonale, ci sono cinque gruppi elettronici attorno all'atomo centrale. Nell'immagine sopra si può vedere con i cinque punti verdi; tre nella base triangolare e due in posizioni assiali, che sono i vertici superiore e inferiore della piramide.

Quale ibridazione ha allora il punto blu? Occorrono cinque orbitali ibridi per formare i singoli legami (arancione). Ciò si ottiene attraverso i cinque orbitali sp ³ d (prodotto della miscela di uno s, tre p e uno d ​​orbitale).

Quando si considerano cinque gruppi elettronici, la geometria è quella già esposta, ma poiché ci sono coppie di elettroni senza condivisione, soffre di nuovo delle distorsioni che generano altre geometrie. Allo stesso modo, sorge la seguente domanda: queste coppie possono occupare una posizione nella piramide? Questi sono: l'assiale o l'equatoriale.

Posizioni assiali ed equatoriali

I punti verdi che compongono la base triangolare sono in posizione equatoriale, mentre i due alle estremità superiore e inferiore sono in posizione assiale. Dove si troverà preferenzialmente la coppia di elettroni non condivisa? In quella posizione che riduce al minimo la repulsione elettrostatica e l'effetto sterico.

In posizione assiale, la coppia di elettroni "presserebbe" perpendicolarmente (90º) sulla base triangolare, mentre se fosse in posizione equatoriale, i due gruppi elettronici rimanenti sulla base sarebbero distanziati di 120º e premerebbero le due estremità a 90º (invece di tre, come con la base).

Pertanto, l'atomo centrale cercherà di orientare le sue coppie libere di elettroni nelle posizioni equatoriali per generare geometrie molecolari più stabili.

Oscillante e forma a T.

Fonte: Gabriel Bolívar

Se nella geometria bipiramidale trigonale uno o più dei suoi atomi venissero sostituiti da coppie libere di elettroni, avremmo anche geometrie molecolari differenti.

A sinistra dell'immagine in alto, la geometria assume la forma oscillante. In esso, la coppia libera di elettroni spinge il resto dei quattro atomi nella stessa direzione, piegando i loro legami a sinistra. Si noti che questa coppia e due degli atomi si trovano sullo stesso piano triangolare del bipiramide originale.

E a destra dell'immagine, la geometria a forma di T. Questa geometria molecolare è il risultato della sostituzione di due atomi per due coppie di elettroni, con il risultato che i tre atomi rimanenti si allineano sullo stesso piano che disegna esattamente una lettera T.

Quindi, per una molecola di tipo AB ₅ , adotta la geometria trigonale bipiramidale. Tuttavia, AB ₄ , con la stessa geometria elettronica, adotterà la geometria oscillante; e AB ₃ , la geometria a forma di T. In tutti A avrà (generalmente) ibridazione sp ³ d.

Per determinare la geometria molecolare è necessario disegnare la struttura di Lewis e quindi la sua geometria elettronica. Se si tratta di un bipiramide trigonale, le coppie libere di elettroni verranno scartate, ma non i loro effetti sterici sul resto degli atomi. Quindi, si può discernere perfettamente tra le tre possibili geometrie molecolari.

Ottaedrico

La geometria molecolare ottaedrica è raffigurata a destra dell'immagine principale. Questo tipo di geometria corrisponde alle mescole AB ₆ . AB ₄ formano la base quadrata, mentre le restanti due B sono posizionate in posizione assiale. Quindi, si formano diversi triangoli equilateri, che sono le facce dell'ottaedro.

Anche in questo caso possono esserci (come in tutte le geometrie elettroniche) coppie di elettroni liberi, e quindi altre geometrie molecolari derivano da questo fatto. Ad esempio, AB ₅ con geometria elettronica ottaedrica è costituito da una piramide a base quadrata e AB ₄ da un piano quadrato:

Fonte: Gabriel Bolívar

Per il caso della geometria elettronica ottaedrica, queste due geometrie molecolari sono le più stabili in termini di repulsione elettrostatica. Nella geometria del piano quadrato le due coppie di elettroni sono a 180º l'una dall'altra.

Qual è l'ibridazione per l'atomo A in queste geometrie (o strutture, se è l'unica)? Di nuovo, il TEV afferma che si tratta di sp ³ d ² , sei orbitali ibridi, che consentono ad A di orientare i gruppi elettronici ai vertici di un ottaedro.

Altre geometrie molecolari

Modificando le basi delle piramidi fin qui citate, si possono ottenere geometrie molecolari più complesse. Ad esempio, il bipiramide pentagonale ha un pentagono come base ei composti che lo formano hanno la formula generale AB ₇ .

Come le altre geometrie molecolari, la sostituzione degli atomi B con coppie libere di elettroni distorce la geometria ad altre forme.

Inoltre, i composti AB ₈ possono adottare geometrie come l'antiprisma quadrato. Alcune geometrie possono essere molto complicate, specialmente per le formule da AB _{7 in} poi (fino a AB ₁₂ ).

Esempi di geometria molecolare

Di seguito verrà menzionata una serie di composti per ciascuna delle principali geometrie molecolari. Come esercizio, si potrebbero disegnare le strutture di Lewis per tutti gli esempi e certificare se, data la geometria elettronica, le geometrie molecolari si ottengono come sotto elencato.

Geometria lineare

-Etilene, H ₂ C≡CH ₂

-Berillio cloruro, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Anidride carbonica, CO ₂ (O = C = O)

-Azoto, N ₂ (N≡N)

-Bromuro di mercurio, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Anione triioduro, I ₃ ^- (III)

-Acido idrocianico, HCN (HN≡C)

I loro angoli devono essere di 180º e quindi avere ibridazione sp.

Geometria angolare

- acqua

-Anidride solforosa, SO ₂

-Biossido di azoto, NO ₂

-Ozono, O ₃

-Amide anione, NH ₂ ^-

Piano trigonale

-Bromo trifluoruro, BF ₃

-Tricloruro di alluminio, AlCl ₃

-Anione nitrato, NO ₃ ^-

-Anione carbonato, CO ₃ ^2–

tetraedro

-Gas metano, CH ₄

-Tetracloruro di carbonio, CCl ₄

-Cationio ammonio, NH ₄ ⁺

-Anione solfato, SO ₄ ^2-

Piramide trigonale

-Amonia, NH ₃

-Cation idronio, H ₃ O ⁺

Bipiramide trigonale

-Pentafluoruro di fosforo, PF ₅

-Antimonio pentacloruro, SbF ₅

Oscillante

Tetrafluoruro di zolfo, SF ₄

Forma a T.

-Iodio tricloruro, ICl ₃

-Trifluoruro di cloro, ClF ₃ (entrambi i composti sono noti come interalogeni)

Ottaedrico

-Esafluoruro di zolfo, SF ₆

-Esafluoruro di selenio, SeF ₆

-Esafluorofosfato, PF ₆ ^-

Per concludere, la geometria molecolare è ciò che spiega le osservazioni delle proprietà chimiche o fisiche della materia. Tuttavia, è orientato secondo la geometria elettronica, quindi quest'ultima deve essere sempre determinata prima della prima.

Riferimenti

1. Whitten, Davis, Peck e Stanley. Chimica. (8 ° ed.). CENGAGE Learning, pagg 194-198.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. (Quarta edizione., P. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria molecolare e teoria VSEPR. Recupero da: nyu.edu
4. Chembook virtuale, Charles E. Ophardt. (2003). Introduzione alla geometria molecolare. Estratto da: chemistry.elmhurst.edu
5. Chemistry LibreTexts. (8 settembre 2016). Geometria delle molecole. Recupero da: chem.libretexts.org