Geometria molecolare — teoria VSEPR e forme

La geometria molecolare è la forma tridimensionale di una molecola. Nella maggior parte dei corsi introduttivi di chimica, questa forma si prevede con la teoria VSEPR: i domini elettronici attorno a un atomo centrale si respingono tra loro, quindi si dispongono il più lontano possibile.

Il modo più rapido per ragionarci è questo: prima conta i domini elettronici, poi distingui tra geometria dei domini elettronici e geometria molecolare. Le coppie solitarie non sono atomi, ma occupano comunque spazio, quindi possono cambiare la forma e gli angoli di legame.

Come la VSEPR prevede la geometria molecolare

VSEPR significa repulsione tra coppie di elettroni del guscio di valenza. Il modello considera ogni regione di densità elettronica attorno all’atomo centrale come un dominio che respinge gli altri.

Per il conteggio di base nella VSEPR:

• un legame singolo conta come un dominio
• un legame doppio conta come un dominio
• un legame triplo conta come un dominio
• una coppia solitaria conta come un dominio

L’ultimo punto è quello che gli studenti di solito trascurano. Due molecole possono avere lo stesso numero totale di domini elettronici ma geometrie molecolari diverse se una ha coppie solitarie e l’altra no.

Forme comuni della geometria molecolare

Questa tabella riassume le forme che compaiono più spesso nella chimica del primo anno:

Domini elettronici sull’atomo centrale	Coppie solitarie sull’atomo centrale	Geometria molecolare	Esempio comune
2	0	lineare	$CO_2$
3	0	trigonale planare	$BF_3$
3	1	angolata	$SO_2$
4	0	tetraedrica	$CH_4$
4	1	piramidale trigonale	$NH_3$
4	2	angolata	$H_2O$
5	0	bipiramidale trigonale	$PCl_5$
5	1	altalena	$SF_4$
5	2	a T	$ClF_3$
5	3	lineare	$XeF_2$
6	0	ottaedrica	$SF_6$
6	1	piramidale quadrata	$BrF_5$
6	2	planare quadrata	$XeF_4$

Questi sono schemi VSEPR comuni, non una regola che descrive perfettamente ogni molecola. La VSEPR funziona meglio come primo modello per molte molecole del gruppo principale e per gli ioni poliatomici.

Geometria elettronica vs geometria molecolare

Questa distinzione causa molti errori.

La geometria dei domini elettronici descrive la disposizione di tutti i domini elettronici attorno all’atomo centrale, comprese le coppie solitarie. La geometria molecolare descrive invece la disposizione dei soli atomi.

Per esempio, $H_2O$ ha quattro domini elettronici attorno all’ossigeno, quindi la sua geometria dei domini elettronici è tetraedrica. Ma solo due di questi domini corrispondono ad atomi legati all’ossigeno, quindi la sua geometria molecolare è angolata.

Esempio svolto: perché l’acqua è angolata

Usa $H_2O$ come caso modello.

Per prima cosa, disegna la struttura di Lewis. L’ossigeno è l’atomo centrale, legato a due idrogeni, e possiede due coppie solitarie.

Ora conta i domini elettronici attorno all’ossigeno:

• due legami $O-H$
• due coppie solitarie

Questo dà quattro domini elettronici.

Quattro domini elettronici danno una geometria dei domini elettronici tetraedrica. Se tutti e quattro i domini fossero coppie di legame, anche la forma molecolare sarebbe tetraedrica, come in $CH_4$. Ma nell’acqua, due dei domini sono coppie solitarie.

Quindi la geometria molecolare è angolata, non tetraedrica.

Questo spiega anche l’angolo di legame. Un angolo tetraedrico ideale è circa $109.5^\circ$, ma l’angolo $H-O-H$ nell’acqua è più piccolo, circa $104.5^\circ$. Nel modello VSEPR, le coppie solitarie si respingono più fortemente delle coppie di legame, quindi spingono i due legami $O-H$ più vicini tra loro.

Questo esempio riassume l’idea principale: la geometria dipende sia dal numero totale di domini elettronici sia da quanti di essi sono coppie solitarie.

Come determinare la geometria molecolare passo dopo passo

Usa questa sequenza per la maggior parte dei problemi introduttivi:

1. Disegna una struttura di Lewis ragionevole.
2. Identifica l’atomo centrale.
3. Conta i domini elettronici attorno a quell’atomo centrale.
4. Assegna la geometria dei domini elettronici in base al numero di domini.
5. Ignora le coppie solitarie quando dai il nome alla geometria molecolare, ma non ignorarle quando ragioni su repulsione e angoli di legame.

Se la struttura di Lewis è sbagliata, di solito anche la geometria sarà sbagliata. La VSEPR parte dalla struttura, non dalla semplice memorizzazione di una tabella di forme.

Errori comuni nei problemi di VSEPR

Contare un legame multiplo come più di un dominio

Nella VSEPR, un legame doppio o triplo conta comunque come un solo dominio elettronico attorno all’atomo centrale. La densità elettronica è distribuita in modo diverso, ma per il conteggio geometrico di base resta una sola regione.

Confondere geometria elettronica e geometria molecolare

Per questo gli studenti spesso definiscono tetraedrica l’acqua. L’acqua è tetraedrica solo nella sua geometria dei domini elettronici. La sua geometria molecolare è angolata.

Ignorare le coppie solitarie

Le coppie solitarie non compaiono come atomi nel nome finale della forma, ma influenzano fortemente la geometria e spesso riducono gli angoli di legame rispetto al valore ideale.

Trattare la VSEPR come esatta in ogni caso

La VSEPR fornisce una prima previsione utile, soprattutto per molte specie del gruppo principale. È meno affidabile quando il legame è più complesso, come in molti composti dei metalli di transizione o nei casi in cui serve un quadro orbitale più dettagliato.

Quando la geometria molecolare è importante

La geometria molecolare si usa per prevedere angoli di legame, polarità e tendenze di reattività. Aiuta anche a spiegare perché molecole con gli stessi atomi possono comportarsi in modo diverso se hanno forme diverse.

Per esempio, la forma aiuta a capire se i dipoli di legame si annullano, se una molecola è probabilmente polare e come gli atomi sono disposti per interazioni intermolecolari o reazioni.

Prova con una molecola simile

Prova da solo con $NH_3$ o $CO_2$. Disegna la struttura di Lewis, conta i domini elettronici attorno all’atomo centrale e indica sia la geometria dei domini elettronici sia la geometria molecolare.

Se vuoi fare un passo in più, confronta la forma che hai trovato con la polarità della molecola e chiediti se i dipoli di legame si annullano.