Geometria VSEPR i polaritat molecular

Comptar els dominis electrònics al voltant d'un àtom central

La VSEPR parteix d'una estructura de Lewis correcta. Al voltant de l'àtom central, compta els dominis electrònics: cada parell solitari és un domini, i cada enllaç amb un altre àtom és un domini tant si és simple, doble o triple. El total sovint s'anomena nombre estèric. Un enllaç doble compta una sola vegada perquè els seus electrons ocupen la mateixa regió de l'espai entre els dos àtoms.

El nombre estèric fixa la geometria dels dominis electrònics, la disposició que manté els dominis tan allunyats com és possible. Dos dominis són lineals (180°), tres són trigonals plans (120°), quatre són tetraèdrics (109.5°), cinc són bipiramidals trigonals (90° i 120°) i sis són octaèdrics (90°).

Una etiqueta breu ajuda a portar el recompte. En la notació AXₘEₙ, A és l'àtom central, m és el nombre d'àtoms enllaçats X i n és el nombre de parells solitaris E de l'àtom central. L'aigua és AX₂E₂: dos àtoms enllaçats i dos parells solitaris, nombre estèric 4.

Geometria dels dominis electrònics i forma molecular

Els parells solitaris ocupen espai, però no són àtoms, de manera que són invisibles en el nom de la forma molecular. La geometria molecular descriu només on es troben els àtoms. Quan no hi ha parells solitaris a l'àtom central, les dues geometries són la mateixa; quan hi ha parells solitaris, difereixen.

En una bipiràmide trigonal, les posicions no són equivalents: les tres posicions equatorials estan separades 120° i les dues posicions axials són a 90° de l'equador. Els parells solitaris van primer a les posicions equatorials, perquè un lloc equatorial només té dos veïns a 90° mentre que un lloc axial en té tres.

• Nombre estèric 3: AX₃ trigonal plana; AX₂E angular, angle inferior a 120°.
• Nombre estèric 4: AX₄ tetraèdrica; AX₃E piramidal trigonal; AX₂E₂ angular, angles inferiors a 109.5°.
• Nombre estèric 5: AX₅ bipiramidal trigonal; AX₄E de balancí; AX₃E₂ en forma de T; AX₂E₃ lineal.
• Nombre estèric 6: AX₆ octaèdrica; AX₅E piramidal quadrada; AX₄E₂ plana quadrada.

Per què els parells solitaris comprimeixen els angles d'enllaç

Un parell solitari només el reté un nucli, de manera que la seva densitat electrònica s'escampa més a prop de l'àtom central que la d'un parell d'enllaç. Les repulsions segueixen, doncs, l'ordre parell solitari–parell solitari > parell solitari–parell d'enllaç > parell d'enllaç–parell d'enllaç, i cada parell solitari afegit estreny més els enllaços restants.

La família tetraèdrica mostra la tendència. El metà, CH₄, sense parells solitaris, té angles H–C–H de 109.5°. L'amoníac, NH₃, amb un parell solitari, té angles H–N–H una mica més petits. L'aigua, amb dos parells solitaris, té un angle H–O–H de 104.5°, el valor que dona OpenStax Chemistry 2e. Els enllaços múltiples tenen un efecte semblant, però més petit, perquè un enllaç doble conté més densitat electrònica que un enllaç simple.

La VSEPR prediu amb fiabilitat el sentit d'aquestes desviacions, però no la seva magnitud exacta. Quan una pregunta demana un angle en una molècula amb parells solitaris, respon «lleugerament inferior a» el valor ideal tret que tinguis dades mesurades.

Exemples resolts: trifluorur de clor i tetrafluorur de xenó

Trifluorur de clor, ClF₃. Electrons de valència: 7 + 3(7) = 28. Tres enllaços simples Cl–F en gasten 6, i completar els tres octets del fluor en gasta 3 × 6 = 18, fins a 24. Els 4 electrons restants van al clor com a dos parells solitaris. El clor té tres enllaços i dos parells solitaris, de manera que és AX₃E₂ amb un nombre estèric de 5 i una geometria de dominis electrònics de bipiràmide trigonal.

Tots dos parells solitaris ocupen posicions equatorials. Això deixa un fluor al pla equatorial i dos a les posicions axials, de manera que els àtoms formen una T. Els parells solitaris empenyen els fluors axials cap a l'equatorial, de manera que els angles F–Cl–F són lleugerament inferiors a 90°. Els tres dipols d'enllaç Cl–F no es cancel·len en una forma de T, de manera que el ClF₃ és polar.

Tetrafluorur de xenó, XeF₄. Electrons de valència: 8 + 4(7) = 36. Quatre enllaços Xe–F en gasten 8 i els parells solitaris dels fluors en gasten 4 × 6 = 24, fins a 32. Els 4 electrons restants són dos parells solitaris al xenó. Amb quatre enllaços i dos parells solitaris, el xenó és AX₄E₂, nombre estèric 6, geometria de dominis electrònics octaèdrica.

En un octàedre totes les posicions són equivalents, de manera que el primer parell solitari pot anar a qualsevol lloc; el segon va just a l'oposat, a 180°, per minimitzar la repulsió parell solitari–parell solitari. Els quatre fluors queden llavors en un mateix pla a 90° dels seus veïns: pla quadrat. Cada enllaç Xe–F és polar, però els enllaços oposats apunten en direccions exactament oposades, de manera que els dipols es cancel·len i el XeF₄ és apolar.

Sumar els dipols d'enllaç per trobar la polaritat molecular

Un enllaç entre àtoms d'electronegativitat diferent és polar, amb una càrrega parcial negativa (δ−) a l'àtom més electronegatiu. Cada dipol d'enllaç té una mida i una direcció, de manera que es comporta com un vector. El moment dipolar molecular és la suma vectorial de tots els dipols d'enllaç, normalment expressat en debyes (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Els dipols d'enllaç es cancel·len quan enllaços idèntics estan disposats simètricament al voltant de l'àtom central. Això passa en les molècules AX₂ lineals, AX₃ trigonals planes, AX₄ tetraèdriques, AX₅ de bipiràmide trigonal i AX₆ octaèdriques quan tots els àtoms X són iguals, i també en les formes AX₄E₂ planes quadrades i AX₂E₃ lineals, en què els parells solitaris estan disposats simètricament i cada enllaç apunta just a l'oposat d'un enllaç idèntic. Altres combinacions de forma i substituents generalment deixen un dipol net.

Comparació resolta: diòxid de sofre i triòxid de sofre. El SO₂ té 6 + 2(6) = 18 electrons de valència; la seva estructura de Lewis posa dos dominis d'enllaç i un parell solitari al sofre (AX₂E), de manera que la molècula és angular. Els dos dipols S–O apunten en part en la mateixa direcció, la seva suma no és zero i el SO₂ és polar. El SO₃ té 6 + 3(6) = 24 electrons de valència i tres dominis d'enllaç sense parell solitari al sofre (AX₃), de manera que és trigonal pla. Tres dipols iguals separats 120° sumen zero, i el SO₃ és apolar tot i que cada enllaç és polar.

Errors habituals de forma i polaritat

La majoria dels errors vénen d'ometre l'estructura de Lewis o de llegir el dibuix pla de la pàgina com si fos la forma real. Una rutina ràpida els detecta: dibuixa l'estructura de Lewis, compta els dominis de l'àtom central, anomena la geometria dels dominis electrònics, treu els parells solitaris per anomenar la forma molecular i suma després els dipols d'enllaç en tres dimensions.

Un model físic o un esbós amb falca i línia discontínua ajuda en l'últim pas. Si pots girar la molècula de manera que un dipol d'enllaç no tingui cap parella que apunti en sentit oposat, la molècula és polar. Si cada enllaç té un enllaç idèntic al costat oposat, o un conjunt simètric com tres enllaços a 120°, és apolar.

• Anomenar la geometria dels dominis electrònics quan la pregunta demana la forma molecular. Els dominis de l'aigua són tetraèdrics; la seva forma és angular.
• Oblidar els parells solitaris de l'àtom central, cosa que converteix l'NH₃ en una molècula trigonal plana per error.
• Comptar un enllaç doble o triple com dos o tres dominis.
• Concloure que una molècula és polar perquè els seus enllaços ho són, sense comprovar si els dipols es cancel·len.
• Jutjar la simetria a partir d'un dibuix pla. El CH₂Cl₂ sembla simètric sobre el paper però és tetraèdric amb dos tipus d'enllaços diferents, de manera que és polar.
• Col·locar parells solitaris a les posicions axials d'una bipiràmide trigonal, cosa que dona la forma errònia per al SF₄, el ClF₃ i el XeF₂.