La geometria molecolare è un argomento di chimica abbastanza complicato. Tra i nostri studenti, in tanti ci chiedono di spiegarlo in modo più semplice rispetto a quanto fatto dai loro docenti o libri di scuola.
Inoltre, la geometria molecolare è oggetto delle domande di interrogazioni, compiti in classe e dei quiz dei test di ammissione a medicina, odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie.
In questa lezione, trovi tutta la teoria che ti serve conoscere e in più una tabella riassuntiva delle disposizioni geometriche con i relativi esempi.
Che cos’è la geometria molecolare
La più diffusa definizione di geometria molecolare è:
La geometria molecolare è la disposizione nel piano o nello spazio degli atomi di una molecola.
Infatti, anche le molecole hanno un volume e quindi occupano uno spazio.
Ma perché gli atomi assumono una particolare disposizione? Perché i legami covalenti sono legami direzionali che formano tra loro specifici angoli che determinano la forma tridimensionale delle molecole.
Mentre in ambito sperimentale, la geometria molecolare può essere individuata attraverso la diffrazione di elettroni e le spettroscopie, a livello teorico la geometria molecolare viene prevista attraverso l’applicazione della teoria VSEPR, Valence Shell Electron Pair Repulsion.
La teoria VSEPR si basa sul meccanismo di repulsione delle coppie di elettroni che si trovano nel guscio di valenza.
Ti stai chiedendo perché devi studiare argomenti così complessi? La geometria molecolare ha effetti concreti sulla vita reale. Infatti, dalla geometria molecolare dipendono la reattività dei materiali, il sapore dei cibi che mangiamo, il punto di ebollizione e molto altro.
Se non ricordi cosa sono i legami covalenti e gli altri legami chimici, leggi Legami chimici: teoria e videolezione con esempi.
Teoria VSEPR
La teoria VSEPR, basata sulle idee di Lewis, fu elaborata da Sidgwick e Powell nel 1940 e approfondita nel 1957 da Gillespie e Nyholm.
Questa teoria sulla geometria delle molecole, che ci permette di arrivare a una rappresentazione affidabile della forma delle molecole poliatomiche, si basa sui seguenti principi:
- dato un atomo, i doppietti elettronici (coppie di elettroni) più esterni sono caricati negativamente, quindi si respingono e si dispongono il più lontano possibile fra loro; se così non fosse, avendo la carica dello stesso segno, la forza repulsiva sarebbe troppo forte; invece, la repulsione è al minor livello possibile e la molecola è stabile;
- le coppie di elettroni di non legame, ossia quegli elettroni non coinvolti nei legami, hanno un volume e una forza repulsiva maggiore;
- quindi, la forza repulsiva si manifesta tra doppietti condivisi, tra doppietti condivisi e di non legame, tra doppietti di non legame;
- i legami covalenti doppi e tripli sono considerati come legami semplici, pertanto la geometria di una molecola dipende dal numero totale dei doppietti elettronici, sia condivisi che di non legame, a condizione che si trovino nell’ultimo strato, il guscio di valenza.
Come calcolare la geometria molecolare
Ogni molecola può essere rappresentata da questa formula:
AXnEm
in cui:
- A = atomo centrale
- X = numero di atomi legati all’atomo centrale
- E = doppietti di non legame
In base ai principi della teoria VSEPR, per calcolare la geometria di una molecola bisogna trovare il numero sterico, NS, che si ricava sommando il numero di atomi X (n) e i doppietti di non legame (m).
La disposizione geometrica potrà quindi essere:
- geometria lineare con NS = 2, per quelle molecole senza doppietti di non legame e con due legami chimici, con formula AX2, che si dispongono a 180°;
- geometria trigonale planare con NS = 3, nel caso di molecole con 3 legami disposti a 120°, AX3;
- geometria angolata con NS = 3, derivata dalla trigonale planare, nel caso di molecole con 2 legami e 1 doppietto di non legame, con angolo di legame < 120°, AX2E;
- geometria tetraedrica con NS = 4, nel caso di molecole con 4 legami e nessun doppietto di non legame, con angolo di legame a 109,5°, AX4;
- geometria piramidale trigonale con NS = 4, derivata dalla tetraedrica, nel caso di molecole con 3 legami e 1 doppietto di non legame, con angolo di legame < 109,5°, AX3E;
- geometria angolata con NS = 4, anch’essa derivata dalla tetraedrica, nel caso di molecole con 2 legami e 2 doppietti di non legame, AX2E2;
- geometria bipiramidale trigonale con NS = 5, nel caso di molecole con 5 legami e nessun doppietto di non legame, AX5, e le geometrie derivate per le altre molecole sempre con lo numero sterico;
- geometria ottaedrica con NS = 6, nel caso di molecole con 6 legami e nessun doppietto di non legame, AX6, e le geometrie derivate per le altre molecole sempre con lo numero sterico;
- geometria bipiramidale pentagonale con NS = 7, nel caso di molecole con 7 legami e nessun doppietto di non legame, AX7, e le geometrie derivate per le altre molecole sempre con lo numero sterico;
| Numero sterico | Formula | Geometria della molecola | Esempio |
|---|---|---|---|
| 2 | AX2 | lineare | CO2 |
| 3 | AX3 | triangolare planare | NO3 |
| 3 | AX2E | angolata | NO2 |
| 4 | AX4 | tetraedrica | CH4 |
| 4 | AX3E | piramidale trigonale | NH3 |
| 4 | AX2E2 | angolata | H2O |
| 5 | AX5 | bipiramidale trigonale | PCl5 |
| 5 | AX4E | altalena | TlCl4 |
| 5 | AX3E2 | forma a T | ClF3 |
| 5 | AX2E3 | lineare | l3 |
| 6 | AX6 | ottaedrica | SF6 |
| 6 | AX5E | piramidale quadrata | lF5 |
| 6 | AX4E2 | planare quadrata | lCl4 |
| 7 | AX7 | bipiramidale pentagonale | lF7 |
Esempio: geometria molecolare acqua
Come riportato in tabella, la geometria molecolare dell’acqua è una geometria angolata derivata dalla geometria tetraedrica.
Infatti, l’acqua ha numero sterico 4 e formula AX2E2, cioè presenta due legami e due doppietti di non legame. Questi ultimi si posizionano ai due vertici del tetraedro. La forza di repulsione esercitata sugli elettroni di legame è molto forte e di conseguenza l’angolo di legame è inferiore a 104,5°.
Sogni di superare il test medicina, odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie? L’offerta WAU! comprende più tipi di corsi per ogni esigenza: con partenza mensile, intensivi, biennali, on demand.
I nostri corsi, pensati per darti la massima preparazione per il nuovo TOLC-Medicina, includono teoria, pratica, piattaforma e-learning con simulatore.
Scopri tutti i vantaggi dei corsi WAU!: il supporto dello Student Care WAU!, l’esperienza decennale di tutor e docenti, i pagamenti dilazionati. E se non passi il test, accedi a “ammesso o ripreparato”.
Disegni nel testo del Dott. Luca Nuvoli
Immagine in evidenza di PIRO4D da Pixabay
