Geometría molecular VSEPR
Postulados del modelo VSEPR
El modelo VSEPR, siglas de la repulsión entre pares electrónicos de la capa de valencia, predice la geometría molecular a partir de un principio sencillo: los pares de electrones que rodean al átomo central, tanto los enlazantes como los no enlazantes o pares libres, se repelen mutuamente y se disponen en el espacio de forma que la repulsión total sea mínima, es decir, lo más alejados posible entre sí.
Cada enlace múltiple cuenta como un único dominio electrónico a efectos de repulsión, porque sus pares ocupan la misma región del espacio.
La geometría electrónica describe la disposición de todos los dominios, mientras que la geometría molecular describe sólo la posición de los núcleos: cuando hay pares libres, ambas geometrías difieren, porque los pares libres son invisibles en la forma molecular pero condicionan su distorsión.
El modelo no necesita conocer los orbitales ni la hibridación: basta contar dominios electrónicos alrededor del átomo central.
Es una herramienta cualitativa de gran éxito predictivo para moléculas de los elementos representativos.
Geometrías según el número de dominios
Con dos dominios la disposición es lineal, con ángulo de 180 grados, como en el \(\text{BeCl}_2 \) y el \(\text{CO}_2 \)
Con tres dominios es trigonal plana, con ángulos de 120 grados, como en el \(\text{BF}_3 \)
Con cuatro dominios es tetraédrica, con ángulos de \(109,5 \) grados, como en el \(\text{CH}_4 \)
Con cinco dominios es de bipirámide trigonal, como en el \(\text{PCl}_5 \), y con seis dominios es octaédrica, con ángulos de 90 grados, como en el \(\text{SF}_6 \)
Cuando parte de los dominios son pares libres, la geometría molecular cambia de nombre aunque la electrónica se mantenga.
Con tres dominios y un par libre la molécula es angular, como el \(\text{SO}_2 \)
Con cuatro dominios y un par libre es piramidal trigonal, como el \(\text{NH}_3 \), y con dos pares libres es angular, como el \(\text{H}_2\text{O} \)
Con cinco dominios y un par libre aparece la forma de balancín del \(\text{SF}_4 \), y con seis dominios y dos pares libres la planar cuadrada del \(\text{XeF}_4 \), con los pares libres en posiciones opuestas.
Los pares libres comprimen los ángulos de enlace
No todas las repulsiones son iguales: la repulsión entre dos pares libres es mayor que entre un par libre y uno enlazante, y esta a su vez mayor que entre dos pares enlazantes.
Los pares libres, al estar atraídos por un sólo núcleo, ocupan más espacio angular y empujan a los pares enlazantes, comprimiendo los ángulos de enlace por debajo del valor ideal.
La serie metano, amoníaco y agua lo ilustra: el \(\text{CH}_4 \), sin pares libres, tiene ángulos de \(109,5 \) grados; el \(\text{NH}_3 \), con un par libre, baja a 107 grados; el \(\text{H}_2\text{O} \), con dos pares libres, baja a \(104,5 \) grados.
El mismo efecto explica que en el \(\text{SF}_4 \) el par libre ocupe una posición ecuatorial de la bipirámide, donde dispone de más espacio, y que los ángulos se desvíen del ideal.
Moléculas con varios átomos centrales
En moléculas orgánicas cada átomo central se analiza por separado con el modelo VSEPR, contando sus propios dominios electrónicos.
En el etileno, cada carbono tiene tres dominios y geometría trigonal plana, lo que hace plana a toda la molécula.
En el etanol, el carbono metílico y el metilénico son tetraédricos, mientras que el oxígeno, con dos pares libres, impone un ángulo C-\(\text{O-H} \) próximo al tetraédrico comprimido.
Este análisis por fragmentos permite predecir la forma tridimensional de moléculas complejas y entender propiedades como la polaridad global: una molécula puede tener enlaces polares y ser apolar si su geometría cancela los momentos dipolares, como ocurre en el \(\text{CO}_2 \) lineal y en el \(\text{CCl}_4 \) tetraédrico.
Vamos a predecir la geometría y los ángulos de enlace de estas tres moléculas contando sus dominios electrónicos y aplicando la jerarquía de repulsiones entre pares libres y enlazantes.
Recuento de dominios.
El carbono del \(\text{CH}_4 \) tiene 4 pares enlazantes y ningún par libre: notación \(\text{AX}_4 \)
El nitrógeno del \(\text{NH}_3 \) tiene 3 pares enlazantes y 1 par libre: \(\text{AX}_3\text{E} \)
El oxígeno del \(\text{H}_2\text{O} \) tiene 2 pares enlazantes y 2 pares libres: \(\text{AX}_2\text{E}_2 \)
Geometría electrónica y molecular.
En los tres casos la geometría electrónica es tetraédrica, con ángulo ideal de \(109,5 \) grados.
La geometría molecular es tetraédrica en el metano, piramidal trigonal en el amoníaco y angular en el agua.
Compresión de los ángulos.
Como la repulsión par libre par libre supera a la par libre enlazante, y esta a la enlazante enlazante, los ángulos se comprimen al aumentar el número de pares libres: \(109,5 \) grados en el \(\text{CH}_4 \), 107 grados en el \(\text{NH}_3 \) y \(104,5 \) grados en el \(\text{H}_2\text{O} \)
La tendencia de los ángulos confirma cuantitativamente el postulado de las repulsiones desiguales entre pares libres y enlazantes.
Vamos a determinar la geometría del \(\text{XeF}_4 \) aplicando el modelo VSEPR, prestando atención a la posición de los dos pares libres del xenón.
Dominios electrónicos del xenón.
El xenón aporta 8 electrones de valencia y cada flúor 1 para el enlace: el átomo central reúne 4 pares enlazantes y 2 pares libres, notación \(\text{AX}_4\text{E}_2 \), con 6 dominios en total.
Geometría electrónica.
Con 6 dominios la geometría electrónica es octaédrica, con ángulos de 90 grados entre dominios vecinos.
Posición de los pares libres y geometría molecular.
Los dos pares libres se colocan en posiciones opuestas del octaedro, a 180 grados, para minimizar su mutua repulsión, que es la más intensa.
Los cuatro flúores quedan en un plano con el xenón en el centro: la geometría molecular es planar cuadrada, con ángulos F-Xe-F de 90 grados.
La molécula es apolar porque los cuatro momentos dipolares de enlace se cancelan por simetría.
Vamos a comparar las geometrías de dos iones con el mismo número de átomos pero distinto número de pares libres, para ver cómo un par libre cambia la forma molecular.
Dominios del carbono en el carbonato.
En el \(\text{CO}_3^{2-} \) el carbono tiene 3 dominios enlazantes y ningún par libre: \(\text{AX}_3 \)
La geometría electrónica y la molecular son trigonal plana, con ángulos O-\(\text{C-O} \) de 120 grados.
La resonancia hace los tres enlaces idénticos.
Dominios del azufre en el sulfito.
En el \(\text{SO}_3^{2-} \) el azufre tiene 3 pares enlazantes y 1 par libre: \(\text{AX}_3\text{E} \)
La geometría electrónica es tetraédrica y la molecular es piramidal trigonal, con el par libre en el vértice.
Comparación de ángulos.
En el carbonato los ángulos son exactamente 120 grados por simetría.
En el sulfito el par libre comprime los ángulos O-\(\text{S-O} \) por debajo del valor tetraédrico ideal de \(109,5 \) grados, quedando en torno a 106 grados.
Un sólo par libre basta para transformar una molécula plana en una pirámide, comprimiendo además los ángulos por debajo del valor ideal.