Estructura y geometría molecular (Teoría VSEPR - Conceptos básicos)

Entender la estructura molecular y la geometría de las moléculas es fundamental para el estudio de la química. La geometría molecular de una molécula determina muchas propiedades, como la polaridad, la reactividad, el estado de la materia, el color, el magnetismo, la actividad biológica y más. Para predecir la forma de las moléculas, nos basamos en la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (VSEPR, por sus siglas en inglés). Esta teoría es útil para predecir la geometría de una molécula bajo el supuesto de que los pares de electrones alrededor de un átomo central se arreglarán lo más alejados posible para minimizar la repulsión.

Conceptos básicos de la teoría VSEPR

La teoría VSEPR se basa en la observación de pares de electrones alrededor de un átomo central. Estos pares de electrones pueden ser pares de enlace, que están involucrados en enlaces químicos, o pares solitarios, que no se comparten con otros átomos. La forma de una molécula dada puede predecirse considerando estos pares.

Conceptos clave de la teoría VSEPR

• Los pares de electrones alrededor del átomo central se mantendrán lo más alejados posible entre sí.
• El par solitario de electrones ocupa más espacio que el par de enlace, ya que los pares solitarios están confinados a un solo átomo.
• La forma de una molécula está determinada por el número de pares de enlace y pares solitarios alrededor del átomo central.

Geometría molecular general

Varias formas básicas son comúnmente descritas por la teoría VSEPR:

Geometría lineal

Una molécula tendrá geometría lineal cuando haya dos pares de enlace y ningún par solitario en el átomo central. El ángulo de enlace es de 180 grados. Un ejemplo clásico de esto es el dióxido de carbono, CO 2.

        Lineal:
        O=C=O
    

Geometría trigonal plana

Una molécula asume una forma trigonal plana cuando tiene tres pares de enlace y ningún par solitario en el átomo central. El ángulo de enlace es típicamente 120°. Un ejemplo común es el trifluoruro de boro, BF 3.

Geometría tetraédrica

Para la geometría tetraédrica, hay cuatro pares de enlace y ningún par solitario en el átomo central. Esto lleva a un ángulo de enlace de 109.5°. Un ejemplo bien conocido es el metano, CH 4.

Geometría angular

Moléculas como el agua, H 2 O tienen una estructura angular. Esto se debe principalmente a que hay dos pares de enlace y dos pares solitarios en el átomo central, lo que lleva a un ángulo de enlace de aproximadamente 104.5 grados.

Descubrimiento de otras geometrías generales

Geometría de pirámide trigonal

En el caso del amoníaco, _{NH 3}, la estructura es trigonal piramidal, ya que hay tres pares de enlace y un par solitario alrededor del átomo de nitrógeno, resultando en un ángulo de enlace de aproximadamente 107°.

Geometría octaédrica

La geometría octaédrica se caracteriza por seis pares de enlace y ningún par solitario en el átomo central. Compuestos como el hexafluoruro de azufre, SF 6 exhiben este patrón con un ángulo de enlace de 90 grados.

Comprensión del efecto de los pares solitarios

Un factor importante en la determinación de la forma molecular es el efecto de los pares solitarios. Los pares solitarios ocupan más espacio que los pares de enlace, en parte porque están ubicados alrededor de un solo núcleo. Esta repulsión adicional puede llevar a ángulos de enlace más pequeños en relación con la geometría óptima sin pares solitarios.

Ejemplos y ejercicios

Para profundizar en tu comprensión de VSEPR y la geometría molecular, echemos un vistazo a algunos ejemplos. Examinaremos varios moléculas, determinaremos sus estructuras de Lewis y predeciremos su geometría según el número de pares de enlace y pares solitarios.

Ejemplo 1: Tetracloruro de carbono (_{CCl 4})

El tetracloruro de carbono es una molécula con cuatro átomos de cloro unidos a un átomo de carbono central. Al dibujar la estructura de Lewis para CCl 4, vemos que el átomo de carbono satisface la regla del octeto con cuatro enlaces simples. Sin pares solitarios en el átomo central, asume una disposición tetraédrica con un ángulo de enlace cercano a 109.5 grados.

Ejemplo 2: Ión nitrito (NO 2 -)

El ión nitrito tiene una estructura de resonancia con dos enlaces simples de nitrógeno-oxígeno y un enlace doble de nitrógeno-oxígeno. El nitrógeno tiene un par solitario, lo que hace que la geometría del dominio de electrones de la molécula sea trigonal en un plano, con la geometría molecular angular. Este es un ejemplo del efecto de la resonancia en la química que saca conclusiones de las estadísticas de dominios de electrones para predecir formas moleculares.

Ejercicio 1

Considere la estructura de Lewis para el formaldehído, _{CH 2 O} Identifique y determine la geometría molecular ideal y la presencia de algún par solitario en el átomo central.

        H
         |
        C=O
         |
        H
    

Solución: La estructura muestra que el oxígeno tiene dos pares solitarios y forma un grupo trigonal plano alrededor del carbono del formaldehído.

Conclusión

La teoría VSEPR proporciona una base importante para predecir la geometría molecular basada en la repulsión de pares de electrones. Aunque simplifica las interacciones químicas cuánticas complejas, es una herramienta valiosa en la química de bachillerato y pregrado.

Recuerda, la idea básica es que los pares de electrones intentan minimizar la repulsión y así adoptar estructuras o geometrías específicas previstas. ¡Familiarizándote con las geometrías moleculares determinadas por la teoría VSEPR, puedes comprender mejor el mundo molecular!

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