Geometría molecular — teoría VSEPR y formas

La geometría molecular es la forma tridimensional de una molécula. En la mayoría de los cursos introductorios de química, esa forma se predice con la teoría VSEPR: los dominios electrónicos alrededor de un átomo central se repelen entre sí, así que se acomodan lo más separados posible.

La manera rápida de pensarlo es esta: primero cuenta los dominios electrónicos y luego distingue entre la geometría de dominios electrónicos y la geometría molecular. Los pares libres no son átomos, pero sí ocupan espacio, así que pueden cambiar la forma y los ángulos de enlace.

Cómo VSEPR predice la geometría molecular

VSEPR significa repulsión de pares de electrones de la capa de valencia. El modelo trata cada región de densidad electrónica alrededor del átomo central como un dominio que repele a los demás.

Para el conteo básico en VSEPR:

• un enlace sencillo cuenta como un dominio
• un enlace doble cuenta como un dominio
• un enlace triple cuenta como un dominio
• un par libre cuenta como un dominio

Ese último punto es el que los estudiantes suelen pasar por alto. Dos moléculas pueden tener el mismo número total de dominios electrónicos pero distintas geometrías moleculares si una tiene pares libres y la otra no.

Formas comunes de la geometría molecular

Esta tabla incluye las formas que aparecen con más frecuencia en química de primer año:

Dominios electrónicos en el átomo central	Pares libres en el átomo central	Geometría molecular	Ejemplo común
2	0	lineal	$CO_2$
3	0	trigonal plana	$BF_3$
3	1	angular	$SO_2$
4	0	tetraédrica	$CH_4$
4	1	piramidal trigonal	$NH_3$
4	2	angular	$H_2O$
5	0	bipiramidal trigonal	$PCl_5$
5	1	balancín	$SF_4$
5	2	en forma de T	$ClF_3$
5	3	lineal	$XeF_2$
6	0	octaédrica	$SF_6$
6	1	piramidal cuadrada	$BrF_5$
6	2	cuadrada plana	$XeF_4$

Estos son patrones comunes de VSEPR, no una regla que se ajuste perfectamente a todas las moléculas. VSEPR funciona mejor como un primer modelo para muchas moléculas del grupo principal e iones poliatómicos.

Geometría electrónica vs. geometría molecular

Esta distinción causa muchas respuestas incorrectas.

La geometría de dominios electrónicos describe la disposición de todos los dominios electrónicos alrededor del átomo central, incluidos los pares libres. La geometría molecular describe la disposición de solo los átomos.

Por ejemplo, $H_2O$ tiene cuatro dominios electrónicos alrededor del oxígeno, así que su geometría de dominios electrónicos es tetraédrica. Pero solo dos de esos dominios corresponden a átomos enlazados al oxígeno, así que su geometría molecular es angular.

Ejemplo resuelto: por qué el agua es angular

Usa $H_2O$ como caso modelo.

Primero, dibuja la estructura de Lewis. El oxígeno es el átomo central, está enlazado a dos hidrógenos y tiene dos pares libres.

Ahora cuenta los dominios electrónicos alrededor del oxígeno:

• dos enlaces $O-H$
• dos pares libres

Eso da cuatro dominios electrónicos.

Cuatro dominios electrónicos dan una geometría de dominios electrónicos tetraédrica. Si los cuatro dominios fueran pares enlazantes, la forma molecular también sería tetraédrica, como en $CH_4$. Pero en el agua, dos de los dominios son pares libres.

Por eso la geometría molecular es angular, no tetraédrica.

Esto también explica el ángulo de enlace. Un ángulo tetraédrico ideal es de aproximadamente $109.5^\circ$, pero el ángulo $H-O-H$ en el agua es menor, cerca de $104.5^\circ$. En el modelo VSEPR, los pares libres se repelen con más fuerza que los pares enlazantes, así que empujan los dos enlaces $O-H$ para acercarlos entre sí.

Ese ejemplo resume la idea principal: la geometría depende tanto del número total de dominios electrónicos como de cuántos de ellos son pares libres.

Cómo determinar la geometría molecular paso a paso

Usa esta secuencia para la mayoría de los problemas introductorios:

1. Dibuja una estructura de Lewis razonable.
2. Identifica el átomo central.
3. Cuenta los dominios electrónicos alrededor de ese átomo central.
4. Asigna la geometría de dominios electrónicos a partir del número de dominios.
5. Ignora los pares libres al nombrar la geometría molecular, pero no los ignores al razonar sobre la repulsión y los ángulos de enlace.

Si la estructura de Lewis está mal, la geometría normalmente también estará mal. VSEPR empieza con la estructura, no con memorizar por sí sola una tabla de formas.

Errores comunes en problemas de VSEPR

Contar un enlace múltiple como más de un dominio

En VSEPR, un enlace doble o triple sigue contando como un solo dominio electrónico alrededor del átomo central. La densidad electrónica se distribuye de manera distinta, pero para el conteo básico de la geometría sigue siendo una sola región.

Confundir la geometría electrónica con la geometría molecular

Por eso los estudiantes suelen decir que el agua es tetraédrica. El agua es tetraédrica solo en su geometría de dominios electrónicos. Su geometría molecular es angular.

Ignorar los pares libres

Los pares libres no aparecen como átomos en el nombre final de la forma, pero afectan mucho la geometría y a menudo reducen los ángulos de enlace con respecto al valor ideal.

Tratar VSEPR como exacto en todos los casos

VSEPR da una primera predicción útil, especialmente para muchas especies del grupo principal. Es menos fiable cuando el enlace es más complejo, como en muchos compuestos de metales de transición o en casos donde importa una descripción orbital más detallada.

Cuándo importa la geometría molecular

La geometría molecular se usa para predecir ángulos de enlace, polaridad y tendencias de reactividad. También ayuda a explicar por qué moléculas con los mismos átomos pueden comportarse de manera distinta si sus formas difieren.

Por ejemplo, la forma te ayuda a razonar si los dipolos de enlace se cancelan, si es probable que una molécula sea polar y cómo están posicionados los átomos para interacciones intermoleculares o reacciones.

Prueba con una molécula similar

Prueba tu propia versión con $NH_3$ o $CO_2$. Dibuja la estructura de Lewis, cuenta los dominios electrónicos alrededor del átomo central y nombra tanto la geometría de dominios electrónicos como la geometría molecular.

Si quieres dar un paso más, compara la forma que encontraste con la polaridad de la molécula y pregúntate si los dipolos de enlace se cancelan.