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Geometria molecolare

Geometria molecolare

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

La teoria della repulsione delle coppie di elettroni nel guscio di valenza, o VSEPR, dall'inglese Valence shell electron pair repulsion, è un modello utilizzato in chimica per prevedere la forma delle molecole.

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:

Geometria molecolare metano CH4 StudySmarterFigura 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°.

Geometria molecolare cloruro di berillio BeCl2 StudySmarterFigura 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

Geometria molecolare trifloruro di boro BF3 StudySmarterFigura 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.

Geometria molecolare metano CH4 tetraedrica StudySmarterFigura 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.

Geometria molecolare pentacloruro di fosforo (V) PCl5 trigonale bipiramidale StudySmarterFigura 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.

Geometria molecolare esafluoruro di zolfo SF6 ottaedrica StudySmarterFigura 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.

Geometria molecolare ammoniaca NH3 piramidale StudySmarterFigura 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

Geometria molecolare acqua H2O angolare  StudySmarterFigura 8. Acqua H20. Geometria angolare con angoli di 104.5°.

Tabella geometria molecolare

La tabella seguente riassume le diverse forme delle molecole.

NomeAngolo di leame (°)EsempioStruttura
Lineare180BeCl2

Geometria molecolare cloruro di berillio BeCl2 StudySmarter

Triangolare planare120BF3

Geometria molecolare trifloruro di boro BF3 StudySmarter

Tetraedrica109,5CH4

Geometria molecolare metano CH4 tetraedrica StudySmarter

Piramidale107NH3

Geometria molecolare ammoniaca NH3 piramidale StudySmarter

Angolare104,5H2O

Geometria molecolare acqua H2O angolare StudySmarter

Trigonale bipiramidale90 o 120PCl5

Geometria molecolare pentacloruro di fosforo (V) PCl5 trigonale bipiramidale StudySmarter

Ottaedrica90SF6

Geometria molecolare esafluoruro di zolfo SF6 ottaedrica StudySmarter

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 anidride carbonica CO2 lineare  StudySmarter

Figura 9. Anidride carbonica. Sebbene contenga quattro coppie di elettroni di legame, le coppie sono disposte come due doppi legami. Ogni doppio legame è considerato come una singola unità, quindi la molecola è lineare. Fonte: commons.wikimedia.org

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.

Geometria molecolare tetrafloruro di xeno StudySmarterFigura 10. Tetrafluoruro di xeno. Le due coppie solitarie di elettroni sono posizionate sopra e sotto il piano.

Geometria molecolare - Punti chiave

  • La teoria VSEPR, nota anche come teoria della repulsione delle coppie di elettroni del guscio di valenza, afferma che le coppie di elettroni si respingono a vicenda e cercheranno di assumere posizioni il più lontano possibile l'una dall'altra, al fine di ridurre al minimo la repulsione. Questo influenza la geometria delle molecole.
  • Per rappresentare i legami covalenti si possono usare linee rette. Le linee a cuneo indicano un legame che esce dallo schermo o dalla pagina, mentre le linee tratteggiate mostrano un legame che entra nello schermo o nella pagina.
  • Le coppie solitarie di elettroni si respingono più fortemente delle coppie di legami. Ogni coppia solitaria riduce l'angolo di legame di 2,5° nelle molecole con quattro coppie di elettroni.
  • Le geometrie di molecole senza coppie di elettroni solitari più comuni sono: lineare, triangolare planare, tetraedrica, trigonale bipiramidale e ottaedrica.

Domande frequenti riguardo Geometria molecolare

Per capire la geometria molecolare di una molecola vanno presi in considerazione diversi fattori tra cui il numero di atomi legati all'atomo centrale e il numero di coppie di elettroni solitari sull'atomo centrale.

Le tipi di geometria molecolare sono:

  • lineare
  • triangolare planare
  • tetraedrica
  • trigonale bipiramidale
  • ottaedrica.

La teoria della repulsione delle coppie di elettroni nel guscio di valenza, o VSEPR, dall'inglese Valence shell electron pair repulsion, è un modello utilizzato in chimica per prevedere la forma delle molecole.

L'ammoniaca, NH3, ha geometria piramidale con legami di 107,5° tra gli atomi.

Quiz Finale Geometria molecolare

Domanda

Per cosa sta il termine VSEPR?

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Risposta

La teoria della repulsione delle coppie di elettroni nel guscio di valenza, o VSEPR, dall'inglese Valence shell electron pair repulsion.

Visualizza la domanda

Domanda

Cosa afferma la teoria VSEPR?

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Risposta

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.

Visualizza la domanda

Domanda

Cos'è un elettrone di valenza?

Visualizza la risposta

Risposta

Un elettrone di legame

Visualizza la domanda

Domanda

Come si disegna un legame che si estende fuori dalla pagina/schermo?

Visualizza la risposta

Risposta

Con una linea a cuneo

Visualizza la domanda

Domanda

Come si disegna un legame che entra nella pagina/schermo?

Visualizza la risposta

Risposta

Con una linea tratteggiata.

Visualizza la domanda

Domanda

Nominare le geometrie molecolari di molecole con il seguente numero di coppie di elettroni di legame. Si supponga che non abbiano coppie solitarie (non condivise).

  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6

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Risposta

  • Lineare.
  • Triangolare planare.
  • Tetraedrica.
  • Bipiramidale trigonale.
  • Ottaedrica.

Visualizza la domanda

Domanda

Indicare gli angoli di legami di molecole con il seguente numero di coppie di elettroni di legame. Si supponga che non abbiano coppie solitarie (non condivise).

  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6

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Risposta

  • 180°
  • 120°
  • 109,5°
  • 120° e 90°
  • 90

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Domanda

Una molecola ha quattro coppie di elettroni di legame. Spiegate l'effetto sull'angolo di legame se una delle coppie è invece una coppia solitaria.

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Risposta

L'angolo di legame si riduce di 2,5°. Ciò è dovuto al fatto che le coppie solitarie si respingono più fortemente delle coppie di legame e quindi stringono le coppie di legame tra loro.

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Domanda

Ogni coppia di elettroni solitari riduce l'angolo di legame di ____.

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Risposta

20°

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Domanda

Indicare la geometria di una molecola con tre coppie di legame e una coppia solitaria.

Visualizza la risposta

Risposta

Piramidale

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Domanda

Indicare la geometria di una molecola con due coppie di legame e due coppie solitarie.

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Risposta

Geometria angolare

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Domanda

Suggerire la geometria molecolare di NF3.

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Risposta

Piramidale

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Domanda

Spiegare perchè BF3 e NF3  hanno geometrie molecolari diverse.

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Risposta

  • BF3 ha tre coppie di elettroni di legame e nessuna coppia solitaria, quindi è una molecola trigonale planare con angoli di legame di 120°.


  • NF3 ha tre coppie di legame e una coppia solitaria, che respinge più fortemente le coppie di legame e riduce l'angolo di legame a 107°.

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Domanda

Qual è l'angolo di legame in SCl2?

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Risposta

104,5°

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