10.1: Teoria VSEPR e forme base

Panoramica della teoria VSEPR

La teoria della repulsione delle coppie di elettroni del guscio di valenza (teoria VSEPR) ci consente di prevedere la struttura molecolare, compresi gli angoli approssimativi di legame attorno a un atomo centrale, di una molecola da un esame del numero di legami e di coppie di elettroni solitari nella sua struttura di Lewis. Il modello VSEPR presuppone che le coppie di elettroni nel guscio di valenza di un atomo centrale adottino una disposizione che minimizzi le repulsioni tra queste coppie di elettroni massimizzando la distanza tra loro. Gli elettroni nel guscio di valenza di un atomo centrale formano coppie di elettroni di legame, situati principalmente tra atomi legati, o coppie solitarie. La repulsione elettrostatica di questi elettroni si riduce quando le varie regioni ad alta densità elettronica assumono posizioni quanto più lontane possibile tra loro.

La teoria VSEPR prevede la disposizione delle coppie di elettroni attorno a ciascun atomo centrale e, solitamente, la corretta disposizione degli atomi in una molecola. Dovremmo capire, tuttavia, che la teoria considera solo le repulsioni delle coppie di elettroni. Anche altre interazioni, come le repulsioni nucleare-nucleare e le attrazioni nucleare-elettrone, sono coinvolte nella disposizione finale che gli atomi adottano in una particolare struttura molecolare.

Applicazione della teoria VSEPR

La teoria VSEPR può essere utilizzata per prevedere la struttura delle molecole. Ad esempio, prevediamo la struttura di una molecola gassosa di CO_2. La struttura di Lewis della CO_2 (Figura 1) mostra solo due gruppi elettronici attorno all'atomo di carbonio centrale. Con due gruppi di legame e nessuna coppia solitaria di elettroni sull'atomo centrale, i legami sono quanto più distanti possibile e la repulsione elettrostatica tra queste regioni ad alta densità elettronica è ridotta al minimo quando si trovano su lati opposti dell'atomo centrale. L'angolo di legame è 180°.

La tabella seguente illustra le geometrie delle coppie di elettroni che minimizzano le repulsioni tra regioni ad alta densità di elettroni (legami e/o coppie solitarie). Due regioni di densità elettronica attorno a un atomo centrale in una molecola formano una geometria lineare; tre regioni formano una geometria planare trigonale; quattro regioni formano una geometria tetraedrica; cinque regioni formano una geometria bipiramidale trigonale e sei regioni formano una geometria ottaedrica.

	BeF2	BF3	CH4	PCl5	SF6
Number of electron regions	2	3	4	5	6
Electron region geometry	Linear; 180° angle	Trigonal planar; all angles 120°	Tetrahedral; all angles 109.5°	Trigonal bipyramidal, angles 90° or 120°.	Octahedral; all angles 90° or 180°.
Spatial arrangement

Tabella 1. Le geometrie di base delle coppie di elettroni previste dalla teoria VSEPR massimizzano lo spazio attorno a qualsiasi regione di densità elettronica (legami o coppie solitarie).

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.6: Molecular Structure and Polarity.

La repulsione della coppia elettronica del guscio di valenza, o teoria VSEPR, serve come strumento per prevedere la struttura molecolare. Si presume che i gruppi di elettroni caricati negativamente, che possono essere elettroni coinvolti in un singolo legame, più legami o coppie solitarie, si respingano l'un l'altro e cerchino di rimanere alla massima distanza possibile l'uno dall'altro per minimizzare le repulsioni. Immaginate una serie di palloncini legati insieme.

Ciascun palloncino si orienta il più possibile lontano dall'altro. La geometria molecolare è dettata dalla disposizione di vari gruppi di elettroni attorno all'atomo centrale. Il fluoruro di berillio ha due gruppi di elettroni attorno all'atomo centrale.

Secondo VSEPR, la minima repulsione fra questi gruppi di elettroni si ottiene attraverso una separazione massima. Pertanto, l'angolo di legame è di centottanta gradi e la forma molecolare è lineare. Il trifluoruro di boro ha tre gruppi di elettroni attorno all'atomo di boro centrale.

La repulsione fra questi gruppi può essere ridotta al minimo assumendo un angolo di legame di centoventi gradi. La teoria VSEPR prevede che la molecola esibisca una geometria planare trigonale. Nel caso del metano, ci sono quattro gruppi di elettroni che circondano l'atomo di carbonio centrale.

Sono più lontani quando l'angolo di legame è 109, 5 gradi e la molecola assume una geometria tetraedrica tridimensionale. Se cinque palloncini sono legati insieme, la separazione massima si ottiene quando i tre palloncini si trovano su un piano e gli altri due sono posizionati su entrambi i lati del piano. Il pentacloruro di fosforo ha cinque gruppi di elettroni attorno all'atomo centrale.

I tre atomi di cloro equatoriali sono separati dall'angolo di legame di centoventi gradi e assumono una disposizione planare trigonale. Un atomo di cloro è presente ciascuno sopra e sotto il piano. L'angolo tra il cloro equatoriale e quello assiale è di novanta gradi.

La molecola ha una geometria trigonale bipiramidale. Nell'esafluoruro di zolfo, ci sono sei gruppi di elettroni attorno all'atomo di zolfo. I quattro gruppi occupano un unico piano.

Gli altri due gruppi si trovano su entrambi i lati di questo piano. La geometria della molecola è ottaedrica. Tutti i legami sono equivalenti e gli angoli di legame sono di novanta gradi.

Questi esempi rivelano che da due a sei gruppi di elettroni che si legano attorno all'atomo centrale, si arriva a cinque forme molecolari di base:lineare, trigonale planare, tetraedrica, trigonale bipiramidale e ottaedrica.