- Com saber amb antelació la geometria molecular d'un àtom X?
- Tipus de geometria molecular
- lineal
- angular
- tetraèdrica
- bipirámide trigonal
- Posicions axial i equatorial
- Oscil·lant i forma de T
- octaèdrica
- Altres geometries moleculars
- Exemples de geometria molecular
- geometria lineal
- geometria angular
- plana trigonal
- tetraèdrica
- piràmide trigonal
- bipirámide trigonal
- oscil·lant
- Forma de T
- octaèdrica
- referències
La geometria molecular o estructura molecular és la distribució espacial dels àtoms al voltant d'un àtom central. Els àtoms representen regions on hi ha una alta densitat electrònica, i es consideren per tant grups electrònics, sense importar els enllaços que formin (simples, dobles o triples).
La geometria molecular d'un element pot caracteritzar algunes de les seves propietats físiques o químiques (punt d'ebullició, viscositat, densitat, etc.). Per exemple, l'estructura molecular de l'aigua determina la seva solubilitat.
Font: Gabriel Bolívar
Aquest concepte neix de la combinació i les dades experimentals de dues teories: la de l'enllaç de valència (TEV) i la de repulsió dels parells electrònics de la capa de valència (RPECV). Mentre que la primera defineix els enllaços i els seus angles, la segona estableix la geometria i, per tant, l'estructura molecular.
Quines formes geomètriques són capaços d'adoptar les molècules? Les dues teories anteriors aporten les respostes. D'acord a la RPECV, els àtoms i parells d'electrons lliures s'han de disposar en l'espai de tal manera que disminueixin a l'màxim la repulsió electrostàtica entre ells.
Llavors, les formes geomètriques no són arbitràries, sinó que busquen el disseny més estable. Per exemple, en la imatge superior es pot apreciar a l'esquerra un triangle, ia la dreta un octàedre. Els punts verds representen els àtoms i les franges ataronjades els enllaços.
En el triangle, els tres punts verds s'orienten en una separació de 120 º. Aquest angle, que és igual a el de l'enllaç, permet que els àtoms es repel·leixin entre si el menor possible. Per tant, una molècula amb un àtom central unit a altres tres adoptarà una geometria pla trigonal.
No obstant això, la RPECV prediu que un parell d'electrons lliure en l'àtom central distorsionarà la geometria. Per al cas de l'plànol trigonal, aquest parell empenyerà cap avall els tres punts verds, donant com a conseqüència una geometria piràmide trigonal.
El mateix també pot ocórrer amb l'octaedre de la imatge. En ell tots els àtoms es troben separats en la forma més estable possible.
Com saber amb antelació la geometria molecular d'un àtom X?
Per a això, cal considerar també els parells d'electrons lliures com grups electrònics. Aquests, junts als àtoms, definiran el que es coneix com la geometria electrònica, la qual és companya inseparable de la geometria molecular.
A partir de la geometria electrònica, i havent detectat mitjançant l'estructura de Lewis dels parells d'electrons lliures, es pot establir quina serà la geometria molecular. La sumatòria de totes les geometries moleculars brindarà un esbós de l'estructura global.
Tipus de geometria molecular
Com s'aprecia a la imatge principal, la geometria molecular depèn de quants àtoms envolten a l'àtom central. No obstant això, si hi són presents un parell d'electrons sense compartir, aquest modificarà la geometria a causa que ocupa molt volum. Per tant, exerceix un efecte estèric.
D'acord a això, la geometria pot presentar una sèrie de formes característiques per a moltes molècules. I és aquí on sorgeixen els diferents tipus de geometria molecular o estructura molecular.
Quan la geometria és igual a l'estructura? Les dues denoten el mateix únicament en els casos on l'estructura no tingui més d'un tipus de geometria; en cas contrari, s'han de considerar tots els tipus presents i donar-li a l'estructura un nom global (lineal, ramificada, globular, plana, etc.).
Les geometries són especialment útils per explicar l'estructura d'un sòlid a partir de les seves unitats estructurals.
lineal
Tots els enllaços covalents són direccionals, de manera que l'enllaç AB és lineal. Però, ¿serà lineal la molècula AB 2 ? En cas afirmatiu, la geometria es representa senzillament com: BAB. Els dos àtoms B estan separats per un angle de 180º, i segons la TEV, A ha de tenir orbitals híbrids sp.
angular
Font: Gabriel Bolívar
Es pot suposar en primera instància una geometria lineal per a la molècula AB 2; però, és primordial dibuixar l'estructura de Lewis abans d'arribar a una conclusió. Dibuixada l'estructura de Lewis, es pot identificar el nombre de parells d'electrons sense compartir (:) sobre l'àtom d'A
Quan això és així, a sobre de Als parells d'electrons empenyen els dos àtoms de B cap a baix, canviant els angles. Com a resultat, la molècula lineal BAB acaba esdevenint una V, un bumerang o en una geometria angular (imatge superior)
La molècula d'aigua, HOH, és l'exemple ideal per a aquest tipus de geometria. En l'àtom d'oxigen hi ha dos parells d'electrons sense compartir els quals s'orienten en un angle aproximat de 109º.
Per què aquest angle? Perquè la geometria electrònica és tetraèdrica, la qual posseeix quatre vèrtexs: dos pels àtoms d'H, i dos per als electrons. A la imatge superior cal notar que els punts verds i els dos "lòbuls amb ulls" dibuixen un tetraedre amb el punt blavós al seu centre.
Si l'O no tingués parells d'electrons lliure, l'aigua formaria una molècula lineal, la seva polaritat disminuiria i els oceans, mars, llacs, etc., probablement no existirien tal com es coneixen.
tetraèdrica
Font: Gabriel Bolívar
La imatge superior representa la geometria tetraèdrica. Per a la molècula d'aigua, la seva geometria electrònica és tetraèdrica, però a l'eliminar els parells lliures d'electrons pot notar-se que es transforma en una geometria angular. Això també s'observa senzillament a l'eliminar dos punts verds; els dos restants dibuixaran la V amb el punt blau.
¿I si en lloc de dos parells d'electrons lliures hagués només un? Llavors quedaria un pla trigonal (imatge principal). No obstant això, a l'eliminar un grup electrònic, no s'evita l'efecte estèric que produeix el parell d'electrons lliures. Per tant, aquest distorsiona el pla trigonal a una piràmide de base triangular:
Font: Gabriel Bolívar
Tot i que la geometria molecular piràmide trigonal i tetraèdrica siguin diferents, la geometria electrònica és la mateixa: tetraèdrica. Llavors la piràmide trigonal no compta com geometria electrònica?
La resposta és no, ja que és producte de la distorsió provocada pel "lòbul amb ulls" i el seu efecte estèric, i aquesta geometria no té en compte distorsions posteriors.
Per aquesta raó, sempre és important determinar primer la geometria electrònica amb ajuda de les estructures de Lewis abans de definir la geometria molecular. La molècula d'amoníac, NH 3, és un exemple de geometria molecular piràmide trigonal, però amb geometria electrònica tetraèdrica.
bipirámide trigonal
Font: Gabriel Bolívar
Fins ara, a excepció de la geometria lineal, en la tetraèdrica, la angular i la piràmide trigonal seus àtoms centrals tenen hibridació sp 3, segons la TEV. Això vol dir que si es determinés experimentalment els angles d'enllaços, aquests haurien de ser al voltant de 109º.
A partir de la geometria dipiramidal trigonal, són cinc els grups electrònics entorn a l'àtom central. A la imatge superior es pot apreciar amb els cinc punts verds; tres a la base triangular, i dos en posicions axials, els quals són els vèrtexs superior i inferior de la piràmide.
Què hibridació té llavors el punt blau? Necessita de cinc orbitals híbrids per formar els enllaços simples (de color ataronjat). Això ho aconsegueix a través dels cinc orbitals sp 3 d (producte de la barreja d'un orbital s, 3 p i un dia).
A l'considerar cinc grups electrònics, la geometria és la ja exposada, però a l'haver parells d'electrons sense compartir, aquesta novament pateix distorsions que generen altres geometries. Així mateix, sorgeix el següent interrogant: ¿aquests parells poden ocupar qualsevol posició de la piràmide? Aquestes són: la axial o la equatorial.
Posicions axial i equatorial
Els punts verds que componen la base triangular estan en posicions equatorials, mentre que els dos en els extrems superiors i inferiors, en posicions axials. On preferencialment s'ubicarà el parell d'electrons sense compartir? En aquella posició que disminueixi a l'màxim la repulsió electrostàtica i l'efecte estèric.
En posició axial el parell d'electrons faria "pressió" perpendicularment (90º) sobre la base triangular, mentre que si estigués en posició equatorial, els dos restants grups electrònics de la base estarien separats 120º i pressionaria els dos extrems a 90 º (en lloc de tres, com passa amb la base).
Per tant, l'àtom central buscarà orientar les seves parells lliures d'electrons en les posicions equatorials per generar geometries moleculars més estables.
Oscil·lant i forma de T
Font: Gabriel Bolívar
Si en la geometria bipiràmide trigonal es substituís un o més dels seus àtoms per parells lliures d'electrons, s'hauria també diferents geometries moleculars.
A l'esquerra de la imatge superior, la geometria canvia a la forma oscil·lant. En ella, el parell lliure d'electrons empeny cap a una mateixa direcció la resta dels quatre àtoms, doblant els seus enllaços cap a l'esquerra. Cal notar que aquest parell i dos dels àtoms jeuen en el mateix pla triangular de la bipiràmide original.
I a la dreta de la imatge, la geometria amb forma de T. Aquesta geometria molecular és el resultat de substituir dos àtoms per dos parells d'electrons, portant com a conseqüència que els tres àtoms restants s'alineïn en un mateix pla que dibuixa exactament una lletra T.
Llavors, per a una molècula de l'tipus AB 5, aquesta adopta la geometria bipiràmide trigonal. No obstant això, AB 4, amb la mateixa geometria electrònica, ha d'adoptar la geometria oscil·lant; i AB 3, la geometria amb forma de T. En totes elles A tindrà (generalment) hibridació sp 3 d.
Per determinar la geometria molecular és necessari dibuixar l'estructura de Lewis i per tant la seva geometria electrònica. Si aquesta és bipiràmide trigonal, es descartarà llavors els parells lliures d'electrons, però no els seus efectes estèrics sobre la resta dels àtoms. Així, es pot discernir perfectament entre les tres geometries moleculars possibles.
octaèdrica
A la dreta de la imatge principal es representa la geometria molecular octaèdrica. Aquest tipus de geometria correspon als compostos AB juny. AB 4 formen la base quadrada, mentre que els dos B restant es posicionen en posicions axials. Així, es formen diversos triangles equilàters, els quals són les cares de l'octàedre.
Aquí, novament, pot haver-hi (com en totes les geometries electròniques) parells d'electrons lliures, i per tant, deriven d'aquest fet altres geometries moleculars. Per exemple, AB 5 amb geometria electrònica octaèdrica consisteix d'una piràmide amb base quadrada, i AB 4 d'un pla quadrat:
Font: Gabriel Bolívar
Per al cas de la geometria electrònica octaèdrica, aquestes dues geometries moleculars són les més estables en termes de repulsió electrostàtica. En la geometria pla quadrat els dos parells d'electrons es troben separats 180º.
Quina és la hibridació per a l'àtom A en aquestes geometries (o estructures, si és l'única)? Novament, la TEV estableix que és sp 3 d 2, 6 orbitals híbrids, els quals li permet a la A orientar els grups electrònics en els vèrtexs d'un octàedre.
Altres geometries moleculars
Modificant les bases de les piràmides esmentades fins ara, es poden obtenir algunes geometries moleculars més complexes. Per exemple, la bipiràmide pentagonal té per base un pentàgon i els compostos que la formen tenen fórmula general AB juliol.
A l'igual que les altres geometries moleculars, substituint els àtoms de B per parells lliures d'electrons distorsionarà la geometria a altres formes.
Així mateix, els compostos AB agost poden adoptar geometries com la de antiprisma quadrat. Algunes geometries poden arribar a ser molt complicades, especialment per a les fórmules AB 7 des d'ara (fins AB 12).
Exemples de geometria molecular
A continuació s'esmentarà una sèrie de compostos per a cadascuna de les principals geometries moleculars. A manera d'exercici, es podria dibuixar les estructures de Lewis per a tots els exemples i certificar si, donada la geometria electrònica, s'obté les geometries moleculars tal com s'enlistan sota.
geometria lineal
-Etileno, H 2 C≡CH 2
-Cloruro de beril·li, BeCl 2 (Cl-BeCl)
-Diòxid de carboni, CO 2 (O = C = O)
-Nitrogen, N 2 (N≡N)
-Dibromuro de mercuri, HgBr 2 (Br-HgBr)
-Anión triiodur, I 3 - (III)
-Àcid cianhídric, HCN (HN≡C)
Els seus angles han de ser 180º, i tenir per tant hibridació sp.
geometria angular
- L'aigua
-Diòxid de sofre, SO 2
-Diòxid de nitrogen, NO 2
Ozó, O 3
-Anión amiduro, NH 2 -
plana trigonal
-Trifluoruro de brom, BF 3
-Tricloruro d'alumini, AlCl 3
-Anión nitrat, NO 3 -
-Anión carbonat, CO 3 2-
tetraèdrica
-Gas metà, CH 4
-Tetracloruro de carboni, CCl 4
-Catión amoni, NH 4 +
-Anión sulfat, SO 4 2-
piràmide trigonal
-Amoníaco, NH 3
-Cation hidroni, H 3 O +
bipirámide trigonal
-Pentafluoruro de fòsfor, PF 5
-Pentacloruro d'antimoni, SbF maig
oscil·lant
Tetrafluorur de sofre, SF 4
Forma de T
-Tricloruro de iode, ICL 3
-Trifluoruro de clor, ClF 3 (ambdós compostos són coneguts com interhalógenos)
octaèdrica
-Hexafluoruro de sofre, SF 6
-Hexafluoruro de seleni, Sef juny
-Hexafluorofosfato, PF 6 -
Per culminar, la geometria molecular és la que explica les observacions de les propietats químiques o físiques de la matèria. No obstant això, s'orienta d'acord a la geometria electrònica, de manera que aquesta última s'ha de determinar sempre abans que la primera.
referències
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). Cengage Learning, pàg 194-198.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició., Pàg. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
- Mark E. Tuckerman. (2011). Molecular geometry and the VSEPR theory. Recuperat de: nyu.edu
- Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Introduction to Molecular Geometry. Recuperat de: chemistry.elmhurst.edu
- Chemistry LibreTexts. (08 d'setembre de 2016). Geometry of Molecules. Recuperat de: chem.libretexts.org