L'acqua e l'anidride carbonica sono entrambe molecole triatomiche. Le somiglianze vanno oltre: entrambe sono parzialmente formate da ossigeno e contengono legami covalenti. Tuttavia, le loro molecole hanno una forma molto diversa. I loro atomi infatti si dispongono in maniera completamente diversa, dando origine a diversi angoli di legame. Per capire il perché di questa situazione, dobbiamo analizzare la repulsione delle coppie di elettroni, la teoria VSEPR.

Geometria molecolare e VSEPR

Se scomponiamo un po' questo termine, possiamo capirne il significato.

Dovete sapere che gli elettroni tendono a girare in coppia. Questo perché gli orbitali, che sono regioni dello spazio in cui si trovano gli elettroni il 95% delle volte, possono contenere al massimo due elettroni (per un ripasso, vedere Gusci, sottogusci e orbitali degli elettroni). Poiché gli elettroni sono particelle cariche, le coppie di elettroni si respingono e cercano di stare il più lontano possibile l'una dall'altra. Il guscio esterno di elettroni di un atomo è noto come guscio di valenza. Poiché gli elettroni di valenza di una molecola covalente semplice sono gli elettroni di legame, la repulsione delle coppie di elettroni determina la posizione dei legami. Questo determina la geometria della molecola.

La teoria VSEPR afferma che le coppie di elettroni si respingono l'una con l'altra e cercheranno di assumere posizioni il più possibile lontane l'una dall'altra, al fine di ridurre al minimo la repulsione. Utilizza semplicemente la nostra conoscenza del comportamento degli elettroni per prevedere la forma di semplici composti covalenti. Consultate Legami covalenti e dativi per ricordarvi come gli atomi condividono gli elettroni per ottenere configurazioni elettroniche stabili.

Geometria molecolare in 3D: come disegnarla

Prima di esaminare alcuni esempi di strutture covalenti, dobbiamo imparare a rappresentarle. Forse ricorderete che possiamo disegnare i legami covalenti come una linea che collega due atomi. Tuttavia, se vogliamo mostrare meglio la forma tridimensionale di una molecola, possiamo usare linee tratteggiate e incuneate.

• Le linee a cuneo indicano un legame che esce dallo schermo o dalla pagina.
• Le linee tratteggiate mostrano un legame che entra nello schermo o nella pagina.
• Le coppie solitarie di elettroni sono indicate come punti.
• Le linee rette standard mostrano semplicemente un legame planare.

La molecola del metano ne è un esempio:

Figura 1. Una molecola di metano, CH₄. Il legame centrale a cuneo sporge dallo schermo, mentre il legame tratteggiato a destra si estende all'indietro.

Tipi di geometria molecolare

Se tutte le coppie di elettroni di valenza di un atomo sono legate, tutte si respingono reciprocamente. Ciò si traduce in legami equidistanti tra loro. Il numero di coppie di elettroni legati influenza la geometria della molecola e l'angolo tra le coppie di legami.

Vediamo alcune delle geometrie molecolari più comuni. Tuttavia, bisogna tenere presente che queste regole si applicano solo alle molecole prive di coppie di elettroni solitari. Le coppie di elettroni solitari sono coppie non condivise che non sono legate covalentemente. Approfondiremo il loro effetto più avanti.

Lineare

Se una molecola ha solo due coppie di elettroni legati (e nessuna coppia solitaria), forma una molecola lineare. L'esempio più semplice è il cloruro di berillio, BeCl₂ . Sebbene il berillio sia un metallo, può legarsi covalentemente al cloro. Il berillio ha solo due elettroni nel suo guscio di valenza e quindi forma due legami. Le coppie di elettroni si respingono in egual misura, determinando un angolo tra i due legami di 180°.

Figura 2. Cloruro di berillio. Ciascuno degli elettroni di valenza del berillio forma un legame covalente con un atomo di cloro. L'angolo tra i legami intorno all'atomo centrale di berillio è di 180°.

Triangolare planare

Le molecole con tre coppie di elettroni legati sono note come triangolari planari. Questo perché l'angolo di legame tra ciascun legame è di 120°, e tutti gli atomi si trovano sullo stesso piano. Le molecole possono essere impilate una sopra l'altra come fogli di carta. Il trifluoruro di boro ne è un esempio. In questo caso, il boro si trova al centro della molecola e i tre atomi di fluoro sono ai vertici del triangolo

Figura 3. Trifloruro di boro, Molecola triangolare planare con angoli di legame d 120°.

Tetraedrica

Le molecole con quattro coppie di elettroni legati e nessuna coppia solitaria formano hanno una geometria molecolare tetraedrica. Si tratta di una piramide regolare a base triangolare. Tutti gli angoli di legame sono di 109,5°. Ad esempio, il carbonio del metano CH₄ ha quattro elettroni di valenza e ogni elettrone fa parte di una coppia legata covalentemente a un atomo di idrogeno. È infatti una molecola tetraedrica.

Figura 4. Metano. Molecola tetraedrica con angoli di legame di 109.5°.

Trigonale bipiramidale

Le molecole con cinque coppie di elettroni legati hanno una geometria trigonale bipiramidale. Questa forma è simile a quella di una molecola trigonale planare, ma con due ulteriori legami tenuti a 90° che si estendono sopra e sotto il piano. Il pentacloruro di fosforo(V) ne è un buon esempio.

Figura 5. Pentacloruro di fosforo(V). Tre legami planari hanno angoli di 120° tra loro, mentre altri due legami formano un angolo retto rispetto al piano.

Ottaedrica

Se una molecola ha sei coppie di legami intorno ad un atomo centrale, forma una struttura ottaedrica. Tutti i legami sono ad angolo retto tra loro, come nel caso dell'esafluoruro di zolfo.

Figura 6. L'esafluoruro di zolfo ha sei coppie di elettroni legati. Tutti gli angoli di legame sono di 90°.

Geometrie molecolari con elettroni solitari

Tutti gli esempi precedenti fanno riferimento a molecole che non hanno coppie di elettroni solitari. Tutti gli elettroni di valenza sono legati. Ma cosa succede se una molecola ha una coppia solitaria? Prendiamo come esempio una molecola con quattro coppie di elettroni.

Ora sappiamo che se tutti gli elettroni fanno parte di coppie di legame, la molecola sarà tetraedrica e avrà angoli di legame di 109,5°. Tuttavia, se una delle coppie di elettroni è in realtà una coppia solitaria, gli angoli di legame si riducono a 107°. Questo perché le coppie solitarie si respingono più fortemente delle coppie condivise, comprimendo i legami. Ogni coppia di elettroni solitari in una molecola con otto elettroni di valenza riduce l'angolo di legame di 2,5°, quindi una molecola con due coppie di legame e due coppie solitarie avrà un angolo di legame di 104,5°. La forza della repulsione cambia se si tratta di coppie solitarie o coppie di legame. Qui ti mostriamo la forza della repulsione tra le diverse coppie in ordine decrescente:

1. Coppia solitaria-coppia solitaria
2. Coppia solitaria-coppia di legame
3. Coppia di legame-coppia di legame

Esaminiamo ora le forme formate dalle molecole con coppie solitarie.

Piramidale

Una molecola con tre coppie di elettroni legati e una coppia di elettroni solitari intorno a un atomo centrale ha un angolo di 107° tra ciascun legame. Un esempio è l'ammoniaca, NH₃.

Geometria molecolare NH₃

L'atomo di azoto contiene cinque elettroni di valenza. Tre sono legati covalentemente ad atomi di idrogeno e i restanti due formano una coppia solitaria. Questa coppia solitaria respinge le coppie di legame più fortemente di quanto le coppie di legame si respingano a vicenda, riducendo l'angolo di legame e formando una molecola piramidale.

Figura 7. Una molecola di ammoniaca. Rispetto a una molecola tetraedrica senza coppie solitarie, l'angolo di legame si riduce di 2,5°.

Geometria angolare

Una molecola con due coppie solitarie e due coppie di legame ha un angolo di legame ulteriormente ridotto a 104,5°. Si forma così una molecola a forma di V, come l'acqua, H₂O .

Geometria molecolare acqua H₂O

Figura 8. Acqua H₂0. Geometria angolare con angoli di 104.5°.

Tabella geometria molecolare

La tabella seguente riassume le diverse forme delle molecole.

Esempi di geometria molecolare

Torniamo alle molecole di cui abbiamo parlato all'inizio, l'acqua e l'anidride carbonica. Abbiamo già scoperto che l'acqua ha una geometria molecolare per effetto delle coppie di elettroni solitari sulle coppie di legame. Ma che geometria ha l'anidride carbonica?

Geometria molecolare CO₂

Disegnando un diagramma a punti e croce possiamo vedere che l'anidride carbonica, CO₂, ha due doppi legami. Questi doppi legami possono essere considerati come unità singole per quanto riguarda la forma. Come le coppie di elettroni di un singolo legame, questi gruppi di quattro elettroni vogliono essere il più distanti possibile l'uno dall'altro. In questo modo si forma una molecola lineare con un angolo di legame di 180°.

Geometria molecolare XeF₄

Un altro esempio è il tetrafluoruro di xeno, XeF₄ . Lo xeno contiene otto elettroni nel suo guscio di valenza. Quattro formano legami con gli atomi di fluoro e quattro rimangono come due coppie solitarie. Questo forma la cosiddetta disposizione planare quadrata, con le coppie solitarie a 180° l'una dall'altra e l'angolo tra le coppie di legame a 90°. Si noti la somiglianza con una disposizione ottaedrica.

Figura 10. Tetrafluoruro di xeno. Le due coppie solitarie di elettroni sono posizionate sopra e sotto il piano.