Teoria VSEPR ed effetto delle coppie solitarie

Effetto delle coppie solitarie di elettroni sulla geometria della molecola

È importante notare che la geometria della coppia di elettroni attorno a un atomo centrale non è la stessa cosa della sua struttura molecolare. La struttura molecolare descrive la posizione degli atomi, non degli elettroni. La geometria che include tutte le coppie di elettroni è la geometria della coppia di elettroni. Le geometrie della coppia di elettroni descrivono tutte le regioni in cui si trovano gli elettroni, i legami e le coppie solitarie. La struttura che include solo il posizionamento degli atomi nella molecola è chiamata struttura molecolare. Le geometrie della coppia elettrone saranno le stesse delle strutture molecolari quando non ci sono coppie di elettroni solitari attorno all’atomo centrale, ma saranno diverse quando ci sono coppie solitarie presenti sull’atomo centrale.

Ad esempio, la molecola di metano, CH₄, che è la componente principale del gas naturale, ha quattro coppie di elettroni di legame attorno all’atomo di carbonio centrale; la geometria della coppia elettrone è tetraedrica, così come la struttura molecolare. D’altra parte, la molecola di ammoniaca, NH₃, ha anche quattro coppie di elettroni associate all’atomo di azoto e quindi ha una geometria tetraedrica a coppia di elettroni. Una di queste regioni, tuttavia, è una coppia solitaria, che non è inclusa nella struttura molecolare, e questa coppia solitaria influenza la forma della molecola.

Distorsioni angolari basate sulla teoria VSEPR

Le piccole distorsioni dagli angoli ideali possono derivare da differenze di repulsione tra varie regioni di densità elettronica. La teoria VSEPR predice queste distorsioni stabilendo un ordine di repulsioni e un ordine della quantità di spazio occupata da diversi tipi di coppie di elettroni. L’ordine delle repulsioni di coppia di elettroni dalla massima alla minima repulsione è:

coppia solitaria-solitaria > coppia di associazione di coppia solitaria > coppia di legame coppia-legame

Questo ordine di repulsioni determina la quantità di spazio occupata da diverse regioni di elettroni. Una coppia solitaria di elettroni occupa una regione più ampia dello spazio rispetto agli elettroni in un triplo legame; a loro volta, gli elettroni in un triplo legame occupano più spazio di quelli in un doppio legame, e così via. L’ordine delle dimensioni dal più grande al più piccolo è:

coppia solitaria > triplo legame > doppio legame > legame singolo

Nella molecola di ammoniaca, i tre atomi di idrogeno attaccati all’azoto centrale non sono disposti in una struttura molecolare planare piatta e trigonale, ma piuttosto in una piramide trigonale tridimensionale con l’atomo di azoto all’apice e i tre atomi di idrogeno che formano la base. Gli angoli di legame ideali in una piramide trigonale sono basati sulla geometria della coppia di elettroni tetraedri. Ancora una volta, ci sono lievi deviazioni dall’ideale perché le coppie solitarie occupano regioni più grandi dello spazio rispetto agli elettroni di legame. Gli angoli di legame H-N-H in NH_{3 sono} leggermente più piccoli dell’angolo di 109,5° in un tetraedro regolare perché la repulsione della coppia di legami di coppia solitaria è maggiore della repulsione della coppia di legame di coppia di legame.

Secondo la teoria VSEPR, le posizioni degli atomi terminali sono equivalenti all’interno delle geometrie della coppia lineare, trigonale e tetraedrica di coppie di elettroni. Non importa quale X viene sostituita con una coppia solitaria perché le molecole possono essere ruotate per convertire le posizioni. Per le geometrie trigonali di coppia elettrone-elettrone, tuttavia, ci sono due distinte posizioni X, una posizione assiale (se teniamo un modello di bipiramide trigonale per le due posizioni assiali, abbiamo un asse attorno al quale possiamo ruotare il modello) e una posizione equatoriale (tre posizioni formano un equatore intorno al centro della molecola). La posizione assiale è circondata da angoli di legame di 90°, mentre la posizione equatoriale ha più spazio disponibile a causa degli angoli di legame di 120°. In una geometria trigonale bipyramidale a coppia di elettroni, le coppie solitarie occupano sempre posizioni equatoriali perché queste posizioni più spaziose possono ospitare più facilmente le coppie solitarie più grandi.

Quando un atomo centrale ha due coppie di elettroni solitari e quattro regioni di legame, abbiamo una geometria ottaedrica a coppia di elettroni. Le due coppie solitarie si trovano sui lati opposti dell’ottaedro (distante 180°), dando una struttura molecolare planare quadrata che riduce al minimo le repulsioni della coppia solitaria-sola.

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