Teoría de VSEPR y formas de moléculas

Introducción a la teoría de VSEPR

Quizás recuerde que las estructuras de puntos de Lewis se utilizan para mostrar la organización de electrones y átomos dentro de una molécula. El núcleo y los electrones centrales de los átomos están representados por su símbolo de elemento, los electrones están representados por puntos y los enlaces están representados por líneas. Estas estructuras de elementos son excelentes para mostrar cómo se unen los átomos, pero, lamentablemente, no nos dan una imagen precisa de la geometría molecular.

Por ejemplo, si la estructura de puntos de Lewis del agua parece lineal, ¿por qué está doblada la estructura real de la molécula?

¿Por qué la estructura de puntos de Lewis para el metano parece un diamante plano, mientras que la estructura real del metano es una pirámide tridimensional?

Y para hacer las cosas más confusas, ¿por qué el dióxido de carbono es lineal, al igual que su estructura de puntos de Lewis?

Esto nos deja preguntándonos: ¿hay alguna manera de predecir la forma de una molécula con solo mirar su estructura de puntos de Lewis?

¡La respuesta es sí! Podemos aplicar la teoría de la repulsión del par de electrones de la capa de valencia, generalmente conocida como la teoría VSEPR , para predecir la forma de cualquier molécula dada su estructura de puntos de Lewis.

Antes de pasar a la teoría VSEPR, repasemos algunas cosas sobre los electrones.

• Los electrones son partículas cargadas negativamente.
• Los electrones pululan alrededor del núcleo de un átomo. Los electrones internos se denominan electrones centrales , los electrones más externos se denominan electrones de valencia y la capa más externa de electrones se llama capa de valencia .
• Los átomos se esfuerzan por obtener una capa de valencia completa de electrones. (Una capa de valencia completa contiene ocho electrones).
• Los electrones de valencia pueden estar involucrados en la unión con otros átomos (y se denominan electrones de unión), o pueden existir como pares solitarios (estos se denominan electrones no vinculantes).
• Los electrones en una capa de valencia completa están emparejados.

Según la teoría VSEPR, la forma de una molécula está relacionada con la organización de los electrones de la capa de valencia del átomo central. Los electrones de la capa de valencia están todos cargados negativamente y, por lo tanto, se repelen constantemente entre sí. Esta repulsión es lo que le da a una molécula su forma tridimensional. Tanto los electrones enlazados como los no enlazados están involucrados en la repulsión.

Si bien la estructura de puntos de Lewis para el agua hace que el agua parezca lineal, la molécula en sí está doblada. Esto se debe a que el agua tiene cuatro pares diferentes de electrones que se repelen entre sí. La estructura doblada es el resultado de estas áreas cargadas negativamente que intentan estar lo más lejos posible unas de otras.

Dominios de electrones

Los electrones de valencia se agrupan en pares alrededor de un átomo. Cualquier área de densidad de electrones de valencia alrededor de un átomo se llama dominio de electrones . Las áreas de densidad de electrones incluyen electrones enlazados y no enlazados.

En algunas moléculas, el átomo central puede tener hasta seis dominios de electrones. En esta lección, solo veremos los átomos centrales con dos, tres o cuatro dominios de electrones. La forma creada por los dominios de electrones que rodean al átomo central se denomina geometría del dominio de electrones . Comprender tanto los dominios de electrones como la geometría del dominio de electrones es muy útil para predecir la geometría molecular. Pero entraremos en más detalles sobre eso más adelante.

Si un átomo tiene dos dominios de electrones, esos electrones intentarán alejarse lo más posible el uno del otro. ¿Qué ángulo permitirá que estos dos dominios estén lo más lejos posible el uno del otro?

Si dijiste 180 grados, buen trabajo. Cuando un átomo tiene dos dominios de electrones, siempre estarán separados 180 grados, y la geometría del dominio de electrones correspondiente se conoce como lineal.

Si un átomo tiene tres dominios de electrones, ocurre un fenómeno similar cuando sus electrones intentan alejarse lo más posible unos de otros. Los dominios de electrones están a 120 grados entre sí en el plano horizontal y a 180 grados entre sí en el plano vertical. Esto da como resultado una geometría de dominio de electrones de trigonal plana.

Si un átomo tiene cuatro dominios de electrones, la geometría del dominio de electrones es tetraédrica y los dominios están a 109,5 grados entre sí.

Geometría molecular

La geometría molecular se basa completamente en la geometría del dominio de electrones. Las geometrías del dominio de electrones muestran todos los dominios de electrones, incluidos los de enlace y no enlace. Las geometrías moleculares solo muestran dominios de enlace, aunque estén presentes dominios no enlazantes.

Para moléculas con dos, tres o cuatro dominios de electrones, hay cinco geometrías moleculares posibles diferentes: lineal, trigonal plana, tetraédrica, curvada y trigonal piramidal.

Algunas de las geometrías moleculares son exactamente las mismas que las geometrías del dominio de electrones. Cuando todos los dominios de electrones están enlazados, la geometría del dominio de electrones es la misma que la geometría molecular.

Aprenderemos a determinar la geometría de una molécula en función del número y el tipo de dominios de electrones presentes. Eso implica seguir estos sencillos pasos:

1) Encuentra la estructura de puntos de Lewis de la molécula. Si no te lo dan, es posible que tengas que dibujarlo. Si necesita un repaso del dibujo de las estructuras de puntos de Lewis, nunca es mala idea revisarlo.

2) Localice el átomo central, luego cuente el número de dominios de electrones alrededor del átomo central. Esto le da una idea de la geometría del dominio de electrones. Recuerde, los dominios de electrones son cualquier área de densidad de electrones, enlaces o pares solitarios. Los enlaces simples, dobles y triples cuentan cada uno como un área de densidad electrónica. Me gusta rodear los dominios de electrones al realizar este paso.

3) Identifique el número de dominios no vinculantes y el número de dominios vinculantes.

4) Compare los resultados con un gráfico que relacione los dominios de electrones con la forma de la molécula.

Hagamos un ejemplo.

Aquí está la estructura de puntos de Lewis para el agua. Como tenemos la estructura, podemos omitir el paso uno.

Estructura de puntos de Lewis para agua

Paso 2) Localice el átomo central y encierre en un círculo todos los dominios de electrones. Dos conjuntos de pares solitarios y dos enlaces forman cuatro dominios de electrones.

Paso 3) Identifique el número de dominios vinculantes y no vinculantes. Dos de estos dominios son pares solitarios no vinculantes y dos son vinculantes.

Paso 4) Compare los resultados con un gráfico. Voy a mi gráfico y busco formas de moléculas que tengan cuatro dominios de electrones, dos enlaces y dos no enlazados. La forma de esta molécula se doblará.

Probemos con otro.

Aquí está la estructura de puntos de Lewis para el ion carbonato. El primer paso está completo, así que pasa al siguiente.

Estructura de puntos de Lewis para ion carbonato

Paso 2) Localice el átomo central y encierre en un círculo todos los dominios de electrones. Hay dos enlaces simples y un enlace doble. Juntos, hay tres áreas de densidad electrónica.

Paso 3) Identifique el número de dominios vinculantes y no vinculantes. Todos los dominios están vinculados.

Paso 4) Compare los resultados con un gráfico. Echo un vistazo a mi gráfico para ver la forma de la molécula que corresponde a tres áreas de densidad de electrones, cuando las tres están enlazadas, ninguna es no enlazada. La forma de esta molécula es trigonal plana.

Aquí está la estructura de puntos de Lewis para el amoníaco, NH3. ¿Puedes predecir la forma de la molécula usando la misma estrategia que usamos antes? Ponte a prueba tratando de resolverlo ahora.

Estructura de puntos de Lewis para amoníaco

El átomo central del amoníaco es el nitrógeno y hay cuatro áreas de densidad electrónica a su alrededor; tres son vinculantes y uno no vinculante. Según el gráfico, la forma de esta molécula es piramidal trigonal.

Resumen de la lección

Las formas de las moléculas se pueden predecir basándose en la estructura de puntos de Lewis utilizando la teoría VSEPR. VSEPR son las siglas de Valence Shell Electron Pair Repulsión. Afirma que los pares de electrones en la capa de valencia de un átomo se repelen entre sí; su geometría molecular es el resultado de esta repulsión.

Las áreas de densidad de electrones de valencia se conocen como dominios de electrones . Los dominios de electrones pueden ser no enlazantes (pares solitarios) o enlazados.

La forma molecular se puede determinar siguiendo estos cuatro pasos:

1) Encuentra la estructura de puntos de Lewis de la molécula.

2) Localice el átomo central, luego cuente el número de dominios de electrones alrededor del átomo central.

3) Identifique el número de dominios no vinculantes y el número de dominios vinculantes.

4) Compare los resultados con un gráfico que relaciona los dominios de electrones con la forma de la molécula.

Una tabla como esta le ayudará a completar el paso número cuatro.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado esta lección, debería poder:

• Recuerda algunas características de los electrones.
• Resumir la teoría VSEPR
• Explicar la geometría del dominio de electrones y la geometría molecular.
• Identificar la forma de una molécula usando la teoría VSEPR