Gráfico y modelo teórico VSEPR

Publicado el 7 abril, 2024 por Rodrigo Ricardo

Química

¿Qué es la teoría VSEPR?

La fórmula química de un compuesto como {eq}H_{2}O {/eq} o {eq}CH_{4} {/eq} indica la proporción de elementos en el compuesto, pero no proporciona información sobre sus 3- forma dimensional. En química, es importante examinar también la forma de una molécula para determinar su comportamiento.

Los electrones de valencia son aquellos electrones que se encuentran en la capa más externa de un átomo. Estos son los electrones involucrados en el enlace. La teoría de la repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (VSEPR) se desarrolló en 1940. VSEPR es una teoría utilizada para predecir la forma tridimensional de moléculas covalentes utilizando los pares de electrones que rodean los átomos centrales de la molécula.

Postulados de la teoría VSEPR

Los postulados de la Teoría VSEPR son los siguientes:

La forma de una molécula está determinada por el número de pares de electrones de la capa de valencia. Estos pares pueden estar enlazados o no enlazados.
Los pares de electrones de la capa de valencia se repelen entre sí. Esto es similar a la idea de colocar dos polos negativos de un imán uno al lado del otro. Cuanto más cerca estén los extremos negativos de los imanes, más fuerte será la repulsión. Las nubes de electrones (áreas tridimensionales donde los electrones tienen la mayor probabilidad de ser encontrados) son negativas. Cuando las nubes de electrones están una al lado de la otra, hay repulsión.
Dado que los electrones de los pares de valencia se repelen entre sí, se ubicarán de tal manera que se maximice el espacio entre los pares de electrones. Esto minimiza la repulsión.
Los enlaces dobles y triples se tratan como si fueran un solo par de electrones. Los múltiples electrones en los enlaces dobles (dos pares de electrones) y triples (tres pares de electrones) se tratan como un solo par.
La teoría VSEPR es aplicable a las estructuras de resonancia de moléculas.
!!¿Cómo afecta la teoría VSEPR a la forma de las moléculas?

Los electrones están cargados negativamente y naturalmente se repelen entre sí. Esto es cierto ya sea que los electrones estén involucrados en un enlace químico o en pares libres.

Los pares libres se definen como dominios de electrones no enlazantes. Son aquellos electrones que no están involucrados en un enlace. En la siguiente molécula de amoníaco, los dos electrones ubicados sobre el átomo de nitrógeno central se denominan pares libres ya que no están unidos a ningún otro átomo. La única línea que conecta cada hidrógeno con el átomo de nitrógeno central representa un par de electrones enlazados. Cada línea representa dos electrones. Recuerde, los enlaces dobles y triples se tratan como si existieran un solo par de electrones.

Imagen tridimensional de amoníaco. Tres átomos de hidrógeno tienen un enlace simple con un átomo de nitrógeno central. Un par de electrones solitarios se encuentra en la parte superior del átomo de nitrógeno central.

El dominio de enlace (también conocido como dominio de electrones ) se define como el número de enlaces alrededor del átomo central más el número de pares libres alrededor del átomo central. Nuevamente, los enlaces dobles y triples cuentan como un dominio.

La teoría VSEPR establece que los pares de electrones de valencia se ubicarán lo más separados posible para minimizar las repulsiones. Cuando los electrones de valencia se mueven, la forma tridimensional del átomo se ve afectada. Imagínate atar dos globos. A medida que se añaden más globos, estos se alejan naturalmente unos de otros, cambiando su forma general. Lo mismo ocurre en una molécula.

La siguiente tabla muestra cinco geometrías básicas que resultan cuando el átomo central (designado por la flecha) no tiene pares libres. Estos son:

Lineal
Trigonal plana
tetraédrico
Triangular bipiramidal
Octaédrico

Gráfico que muestra las geometrías VSEPR

La bipiramidal pentagonal también es una geometría básica. En esta geometría, hay 7 dominios de electrones y cero pares libres.

Imagen tridimensional de una molécula con geometría bipiramidal pentagonal. Siete átomos tienen un enlace simple con un átomo central. Cero par solitario.

Cuando el átomo central contiene pares libres, estas cinco geometrías básicas se modifican para que la molécula reduzca la repulsión de los electrones.

Los pares solitarios tienen el mayor efecto repelente ya que están más cerca del núcleo del átomo central.
Los pares de electrones solitarios se repelen más que los electrones enlazados.

En la siguiente tabla, las geometrías básicas de las moléculas se modifican a medida que se agregan pares libres al átomo central. Observe la fila delineada en rojo. Una molécula con geometría tetraédrica contiene un átomo central unido a 4 pares de electrones. Observe que el átomo central no tiene pares libres. Todos los electrones de valencia están involucrados en un enlace. Cuando el átomo central de la molécula está unido a 3 pares de electrones y tiene un par solitario, la geometría cambia a piramidal trigonal. Observe que el ángulo entre pares enlazados también disminuye. Cuando la molécula contiene 2 pares de electrones enlazados y 2 pares libres alrededor del átomo central, la geometría cambia a curvada. Estas geometrías se modifican para reducir la repulsión de los electrones desapareados y los electrones enlazados.

Tabla que muestra las principales geometrías utilizadas en la Teoría VSEPR

Gráfico de dominio electrónico y geometría molecular

La teoría VSEPR permite determinar la forma tridimensional de la mayoría de los átomos.

Gráfico que muestra las geometrías de la teoría VSEPR

Molécula lineal

¿Cuál será la forma de una molécula lineal con dos dominios de enlace?

El gráfico de teoría VSEPR muestra que una molécula con dos dominios electrónicos y cero pares libres tendrá un ángulo de enlace de 180 grados y será lineal.

Imagen tridimensional de una molécula con geometría lineal. Dos átomos de hidrógeno tienen un enlace simple con un átomo central de berilio. Cero par solitario. El ángulo entre los enlaces de hidrógeno muestra 180 grados.

Molécula piramidal trigonal

Esta es la geometría del amoníaco. El átomo central es el nitrógeno. Alrededor del átomo central hay cuatro dominios de electrones. Tres de los dominios son pares enlazados (enlaces simples de hidrógeno con el átomo central) y el cuarto dominio es un par solitario. Según la teoría VSEPR, una molécula con estos atributos tendrá una geometría piramidal trigonal.

Imagen tridimensional de una molécula de amoníaco con geometría piramidal trigonal. Tres átomos de hidrógeno tienen un enlace simple con un átomo de nitrógeno central. Un par solitario ubicado sobre el átomo de nitrógeno central.

Moléculas tetraédricas y dobladas

Esta es la geometría de una molécula como {eq}CH_{4} {/eq}. En esta molécula, hay 4 dominios de enlace alrededor del átomo central. No hay parejas solitarias. Según la Teoría VSEPR, esta molécula tendrá una geometría tetraédrica.

Imagen tridimensional de una molécula con geometría tetraédrica. Cuatro átomos tienen un enlace simple con un átomo central. Cero par solitario. Se muestra un ángulo de enlace de 109,5 grados entre cada uno de los átomos unidos al átomo central.

En esta molécula de dióxido de silicio, hay 3 dominios de enlace alrededor del átomo central (dos enlaces simples al azufre y un par libre). Según VSEPR, esta molécula tendrá una forma curvada o angular. Los átomos de oxígeno estarán separados por menos de 120 grados entre sí.

Imagen tridimensional de una molécula de dióxido de silicio con geometría curvada o angular. Dos átomos de oxígeno tienen un enlace simple con un átomo de azufre central. Un par solitario.

En una molécula de agua, hay 4 dominios de enlace alrededor del átomo central (dos enlaces simples al oxígeno y dos pares libres). Cada uno de estos dominios se repele entre sí. Observe cómo los dos pares libres hacen que los hidrógenos unidos se acerquen más. Recuerde, las parejas solitarias tienen la mayor repulsión. Esto hace que el agua tenga una forma curvada o angular. Los átomos de hidrógeno estarán separados por menos de 109 grados entre sí.

Imagen tridimensional de una molécula de agua con geometría curvada o angular. Dos átomos de hidrógeno tienen un enlace simple con un átomo de oxígeno central. Dos parejas solitarias.

Bipiramidal Trigonal y Bipiramidal Pentagonal

Esta es la geometría de una molécula como {eq}PCl_{5} {/eq}. En esta molécula, hay cinco dominios de enlace alrededor del átomo central y ningún par solitario. Según la Teoría VSEPR, esta molécula tendría forma bipiramidal trigonal.

Imagen tridimensional de una molécula con geometría bipiramidal trigonal. Cinco átomos tienen un enlace simple con un átomo central. Cero pares solitarios.

Esta es la geometría de una molécula como {eq}IF_{3} {/eq}. En esta molécula, hay 7 dominios de enlace alrededor del átomo central y ningún par solitario. Según VSEPR, esta molécula tendría forma bipiramidal pentagonal.

La regla de Bent explica la relación entre la hibridación orbital de los átomos centrales de una molécula y los átomos electronegativos. La regla es especialmente útil en moléculas con pares libres o moléculas con varios átomos que tienen geometría bipiramidal trigonal.

Supongamos que la siguiente molécula es {eq}PCl_{3}F_{2} {/eq}. El fósforo es el átomo central. Un sustituyente en química se define como un átomo o grupo sustituido por otro en un compuesto. Los cinco sustituyentes (3 átomos de cloro y 2 átomos de flúor) hacen que este átomo {eq}sp^{3} {/eq} se hibride. La hibridación {eq}Sp^{3} {/eq} se produce cuando un orbital s y tres orbitales p se combinan para crear un nuevo orbital híbrido denominado {eq}sp^{3} {/eq}. ¿Dónde se colocarán los átomos de cloro y flúor en la molécula de abajo? Observe que hay varias ubicaciones. Los átomos de cloro pueden estar todos uno al lado del otro o mezclados entre átomos de flúor.

La regla de Bent explica que cuando el átomo central de una molécula está unido a múltiples sustituyentes, los sustituyentes se hibridarán. Los enlaces sigma son los primeros enlaces que se producen entre átomos. Los enlaces Pi son el segundo y tercer enlace que se forman. Los orbitales con carácter sigma tienden a concentrarse hacia grupos electropositivos. Los orbitales con carácter pi tienden a concentrarse hacia grupos electronegativos.

La aplicación de estas reglas ayudará a determinar el ángulo de enlace entre los átomos centrales y sus constituyentes. Esta regla se utiliza a menudo en lugar de la teoría VSEPR para determinar las geometrías de determinadas moléculas.

Limitaciones de la teoría VSEPR

La teoría VSEPR tiene algunas limitaciones que involucran especies isoelectrónicas y metales de transición.

Especies isoelectrónicas: supongamos que hay dos moléculas {eq}IF_{7} {/eq} y {eq}TeF_{7}^{-} {/eq}. Se denominan especies isoelectrónicas porque contienen el mismo número de electrones. Según la Teoría VSEPR, ambas moléculas tendrán geometría bipiramidal pentagonal. Sin embargo, las longitudes de los enlaces entre IF y Te-F son diferentes, lo que hace que las moléculas tengan formas diferentes.
Metales de transición: la teoría VSEPR no considera el tamaño de los grupos sustituyentes o pares solitarios que están inactivos. Los pares libres inactivos son pares de electrones no enlazados que no se consideran pares libres. En los metales de transición, los pares no enlazantes no influyen en la geometría de un compuesto.

Resumen de la lección

Los electrones de valencia son aquellos electrones que se encuentran en la capa más externa de un átomo y los que participan en los enlaces. La teoría de la repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (VSEPR) se utiliza para predecir la forma tridimensional de las moléculas covalentes. Esto se hace examinando los pares de electrones que rodean el átomo central de la molécula. El dominio electrónico, también conocido como dominio de enlace, se define como el número de enlaces y pares libres alrededor del átomo central. Los enlaces dobles y triples cuentan como un dominio. Los pares libres son aquellos electrones que no participan en un enlace. Los electrones enlazados son aquellos electrones involucrados en un enlace con el átomo central. La teoría VSEPR establece que los átomos de una molécula se moverán para minimizar la repulsión de los electrones de la capa de valencia. Esto afecta directamente a la geometría de la molécula. Aunque la teoría VSEPR es útil para determinar la geometría de muchas moléculas, se queda corta cuando se trabaja con especies isoelectrónicas y metales de transición.