GEOMETRIA MOLECULAR

GEOMETRIA MOLECULAR

Modelo de repulsión del par electrónico del nivel de valencia (RPENV)

Imagine que ata dos globos idénticos por sus extremos. Como se aprecia en la figura a), los globos se orientan naturalmente de modo que apuntan en direcciones opuestas; es decir, tratan de “estorbarse mutuamente” lo menos posible.

a) b) c)

Si agregamos un tercer globo, los globos se orientarán hacia los vértices de un triángulo equilátero como en la figura b). Si agregamos un cuarto globo, los globos adoptarán naturalmente una forma tetraédrica (fig. c)). Es evidente que hay una geometría óptima para cada número de globos.

Los átomos se unen entre sí para formar moléculas compartiendo pares de electrones del nivel de valencia. Los pares de electrones se repelen entre sí; por tanto, al igual que los globos de la figura, tratarán de estorbarse mutuamente lo menos posible. La mejor distribución de un número dado de pares de electrones es el que minimiza las repulsiones entre ellos. Esta sencilla idea es la base del modelo RPENV. De hecho, la analogía entre los pares de electrones y los globos es tan exacta que se observan las mismas geometrías preferidas en ambos casos. Así, como se aprecia en la figura anterior, dos pares de electrones se acomodan linealmente, tres pares se acomodan en forma plana trigonal, y cuatro se disponen formando un tetraedro. Estas disposiciones, junto con las de cinco pares de electrones (pirámide trigonal) y seis pares de electrones (octaédrica), se resumen en la tabla que aparece en la página siguiente. Como veremos, la forma de una molécula o ion se puede relacionar con estas cinco distribuciones básicas de los pares de electrones.

Geometrías de los pares electrónicos en función del número de pares de electrones

Predicción de geometrías moleculares

Al dibujar estructuras de Lewis, vimos dos tipos de pares de electrones de nivel de valencia: pares enlazantes, que son compartidos por los átomos en los enlaces, y pares no enlazantes (o pares libres). La estructura de Lewis del amoníaco revela tres pares enlazantes y un par no enlazante alrededor del átomo de nitrógeno:

Puesto que hay cuatro pares de electrones alrededor del átomo de N, las repulsiones de los pares electrónicos se minimizarán si los pares apuntan hacia los vértices de un tetraedro. La distribución tetraédrica de los pares de electrones en el amoníaco se muestra en la siguiente figura:

La disposición de los pares de electrones alrededor del átomo central de una molécula ABn es la geometría de sus pares de electrones. Por otro lado, cuando realizamos experimentos para determinar la estructura de una molécula, localizamos átomos, no pares de electrones. La geometría molecular de una molécula (o ion) es la disposición de los átomos en el espacio. Podemos predecir la geometría de una molécula a partir de sus pares de electrones. En el NH3, los tres pares enlazantes apuntan hacia tres de los vértices de un tetraedro; por tanto, los átomos de hidrógeno se ubican en tres de los vértices de un tetraedro que tiene el átomo de nitrógeno en el centro. El par de electrones no enlazante del nitrógeno ocupa el cuarto vértice. Así, el modelo RPENV predice correctamente que los átomos del NH3 no están todos en el mismo plano; más bien, el NH3 se asemeja a una molécula tetraédrica a la que le falta un átomo. Esta forma se llama pirámide trigonal (una pirámide con un triángulo equilátero como base).

Es evidente que la geometría molecular piramidal trigonal del NH3 es una consecuencia de la geometría tetraédrica de sus pares de electrones. Al describir la forma de una molécula, siempre indicamos la geometría molecular, no la geometría de los pares de electrones.

Como ilustra el ejemplo del NH3, los pasos para predecir geometrías moleculares con el modelo RPENV son los siguientes:

1. Dibujar la estructura de Lewis de la molécula o ion.

2. Contar el número total de pares de electrones que rodean el átomo central y acomodarlos de modo tal que se minimicen las repulsiones entre los pares de electrones.

3. Describir la geometría molecular en términos de la disposición angular de los pares enlazantes. (La disposición angular de los pares enlazantes corresponde a la disposición angular de los átomos enlazados).

La aplicación del modelo RPENV a moléculas que contienen enlaces múltiples revela que un doble o triple enlace tiene básicamente el mismo efecto sobre los ángulos de enlace que el que tiene un enlace sencillo. Esta observación da pie a una regla adicional:

4. Un doble o triple enlace se cuenta como un par enlazante (una densidad electrónica) al predecir la geometría.

Por ejemplo, la estructura de Lewis del CO2 tiene dos dobles enlaces C= O, como se muestra en la siguiente figura:

Ö = C = Ö

¨ ¨

Si aplicamos el modelo RPENV a esta molécula, cada uno de los dobles enlaces contará como un solo par de electrones. Así, el modelo RPENV predice correctamente que el CO2 es lineal.

En la siguiente tabla se resumen las geometrías moleculares cuando hay cuatro pares de electrones o menos en el nivel de valencia alrededor del átomo central en una molécula ABn.

Geometría de los pares de electrones y formas moleculares para moléculas con dos, tres y cuatro pares de electrones alrededor del átomo central

Estas geometrías son importantes porque incluyen todas las formas que se observan comúnmente en las moléculas o iones que obedecen la forma del octeto.

Efectos de los electrones no enlazantes y de los enlaces múltiples sobre los ángulos de enlace

Podemos afinar el modelo RPENV para predecir y explicar pequeñas distorsiones de las moléculas respecto a las geometrías ideales. Por ejemplo, consideremos el metano, CH4, el amoníaco, NH3, y el agua, H2O. Los tres tienen geometrías de pares de electrones tetraédricas, pero sus ángulos de enlace muestran pequeñas diferencias:

Observe que los ángulos disminuyen a medida que aumenta el número de pares de electrones no enlazantes. Los pares enlazantes son atraídos por los dos núcleos de los átomos enlazados. En cambio, la única influencia sobre el movimiento de los electrones no enlazantes es la atracción de un solo núcleo, y por lo tanto se extienden más en el espacio. El resultado es que los pares de electrones no enlazantes ejercen fuerzas de repulsión más intensas sobre los pares de electrones adyacentes y por ello tienden a comprimir los ángulos que hay entre los pares enlazantes.

...