Ricavare la geometria di una molecola con la teoria VSEPR

La teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion, repulsione delle coppie elettroniche nel guscio di valenza) è un metodo semplice e intuitivo per prevedere la geometria di molecole semplici basandosi esclusivamente sulla loro struttura di Lewis. L’idea alla base di questa metodica è il noto principio dell’elettrostatica detto Legge di Coulomb, per il quale cariche uguali si respingono; sulla base di questa informazione possiamo immaginare di disporre i doppietti elettronici di legame e di non legame di una molecola in maniera che siano il più lontano possibile tra di loro. Partendo da questa idea di base, possiamo immaginare una sequenza di punti chiave da applicare per determinare la corretta geometria di una molecola secondo la teoria VSEPR.

  • Le coppie di elettroni si respingono e vogliono disporsi il più lontano possibile tra di loro;
  • Le coppie di elettroni di valenza esercitano una forza repulsiva inferiore rispetto alle coppie di non valenza;
  • Le coppie presenti in un legame multiplo si considerano come una coppia unica;
  • Quando esistono posizioni non equivalenti (come quelle apicali e equatoriali nella bipiramide trigonale) allora i doppietti di non legame si disporranno preferenzialmente in posizione equatoriale.

Basta quindi contare il numero di doppietti vicini all’atomo centrale e la geometria relativa seguirà questa semplice tabella:

Nella tabella ci sono le rappresentazioni tridimensionali delle varie geometrie. Una linea semplice indica un legame che si trova sul piano del foglio, un cuneo pieno indica un legame che viene verso lo spettatore – come se uscisse dal foglio verso di voi – mentre il legame tratteggiato indica un legame che si allontana dall’osservatore dietro il piano del foglio. Un aspetto interessante è anche che dalla geometria possiamo ricavare l’ibridazione dell’atomo centrale, riportata nell’ultima colonna della tabella.

Prendiamo in esame qualche esempio per chiarire meglio le idee.

L’anidride carbonica (CO2) ha una struttura di Lewis in cui notiamo bene la presenza di due doppi legami, cioè di due coppie di doppietti elettronici di legame. Dato che le due coppie del doppio legame contano come una coppia singola, siamo nel primo caso della tabella. Di conseguenza i due ossigeni si disporranno ai lati opposti del carbonio formando una linea retta e l’ibridazione del carbonio sarà sp.VSEPR anidride carbonica

Considerando invece il metano, possiamo contare quattro doppietti di legame, uno per ogni legame con l’idrogeno. Siamo quindi nel terzo caso della tabella e il metano avrà geometria tetraedrica, con angoli di 109,5° e ibridazione sp3.

Il caso dell’acqua inizia ad aggiungere una complicazione, dato che abbiamo due doppietti di legame e due di non legame. La geometria sarà quindi derivata da quella tetraedrica (quattro coppie), ma i doppietti di non legame “comprimono” quelli di legame. L’angolo HOH sarà quindi inferiore rispetto a quello usuale, circa 104,5°. Qual è la geometria dell’acqua? La mia opinione personale è che andrebbe descritta come “tetraedrica distorta, con due vertici mancanti e angolo HOH di 104,5°”. VSEPR acqua

Tuttavia, alcuni insegnati particolarmente legati al metodo mnemonico pretendono che venga definita “geometria angolare”. Idem nel caso dell’ammoniaca, dove avremo sempre un tetraedro distorto, questa volta senza un vertice (3 doppietti di legame e uno di non legame), ma alcuni potrebbero voler definita questa geometria come “piramide trigonale”. Allo stesso modo, con cinque doppietti avremo geometrie bipiramidali (tutti e cinque i doppietti di legame), ad altalena (uno di non legame), a forma di T (due di non legame) e lineare (tre di non legame). Nel caso della geometria ottaedrica invece possiamo avere principalmente la piramide a base quadrata (uno di non legame) e la geometria planare quadrata (due di non legame). Trovo comunque questo approccio confusionario, ma in certi casi potrebbe essere richiesto ed è quindi importante fare molta attenzione.

Fonti: Chimica, di John C. Kotz, Paul M. Treichel, John R. Townsend

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