La teoria VSEPR: il modello che aiuta a comprendere la forma delle molecole
L’ambito della geometria molecolare non è semplice ma applicando la teoria VSEPR si riesce ad avere una rappresentazione attendibile dei diversi legami fra atomi. L’acronimo sta per Valence Shell Electron Pair Repulsion ovvero forza di repulsioni fra le coppie di elettroni del guscio di valenza. Le particelle di carica negativa si respingono e da queste interazioni dipende la forma che assume il legame.
Studiare questo argomento è fondamentale per gli studenti che puntano a provare i Test di Medicina e Veterinaria perché ricorre spesso fra i quesiti di Chimica. A livello pratico per di più a seconda della geometria della nube elettronica che si crea fra due atomi dipendono anche la stabilità e la forza di legame e quindi la reattività dei composti.
Che cosa dice la teoria VSEPR
A elaborare questo modello, con cui comprendere la forma delle molecole, furono i chimici inglesi Nevil Sidgwick e Herbert Marcus Powell nel 1940. Furono però Ronald J. Gillespie e Ronald Nyholm a definire meglio la geometria 3D approfondendo il concetto di ibridazione fra gli orbitali atomici qualche anno più tardi, attorno al 1957.
Questo nuovo modello si può applicare anche agli ioni.
L’enunciato della teoria VSEPR afferma quanto segue. In una molecola con un atomo centrale le coppie di elettroni tendono a disporsi in modo da rendere minima la repulsione che hanno fra di loro.
Questo vale sia per quelle impiegate nei legami che per eventuali doppietti rimasti liberi. La repulsione fra le coppie di elettroni non condivise è maggiore rispetto a quelle impiegate all’interno dei legami.
Allo stesso modo la repulsione che c’è tra un doppietto libero e uno condiviso è maggiore rispetto alla forza con cui si respingono due elettroni di legame. Per capire quali e quante coppie di elettroni concorrono a dare la forma alla molecola che si considera si utilizza la formula AXnEm. In particolare:
- A è l’atomo centrale della molecola.
- Xn corrisponde al numero di atomi uniti attraverso un legame covalente all’atomo centrale A.
- Em sono i doppietti rimasti slegati sempre riferiti ad A, l’atomo centrale.
Per fare un esempio una molecola con struttura AX2 potrebbe essere l’anidride carbonica (CO2). In questo caso dato che non rimangono doppietti liberi, il carbonio ha 4 elettroni e gli ossigeni 2 si formano due legami doppi.
Struttura lineare e a triangolo equilatero: le possibili forme delle molecole
Ora che abbiamo capito a che serve la teoria VSEPR è ora di iniziare a parlare delle possibili forme delle molecole.
Al paragrafo precedente abbiamo visto una molecola con struttura AX2 ,q uindi con n = 2 e m = 0. La somma fra i pedici n e m corrisponde al numero sterico (NS) ed è proprio in base a questo è possibile comprendere la forma del composto.
Quando NS = 2, come prima, si tratta di molecole dalla struttura lineare. Si tratta quindi di una geometria molecolare a una sola dimensione, perché gli atomi sono legati uno in fila all’altro. Un altro esempio è l’idruro di berillio, che ha formula BeH2. Anche in questo caso abbiamo una molecola AX2, perché il berillio condivide un elettrone con ogni idrogeno che a sua volta a un singolo elettrone.
Quando il numero sterico sale a 3 (NS = 3) invece ci sono due casi possibili ammessi dalla teoria VSEPR. Il primo è che la molecola sia di tipologia AX3 , ovvero che abbia tre coppie di elettroni impiegate in legami. Un esempio è il cloruro di boro (BCl3)dove il boro è l’atomo centrale e i tre clori si dispongono secondo una geometra planare a triangolo, formando fra di loro tre angoli di 120°.
Come lascia intendere questa conformazione si tratta di un triangolo equilatero. Ma oltre alle molecole della tipologia osservata ne esistono altre con numero sterico pari a 3 ovvero le AX2E1. Dunque con due coppie di elettroni impegnate nei legami e un doppietto libero. Anche se non ci sono tre legami la geometria molecolare è la medesima.
La struttura tetraedrica nella teoria VSEPR
Dopo aver visto la geometria lineare e quella planare è il momento di vedere il caso in cui il composto diventa tridimensionale. Se con due coppie di elettroni occupate si aveva una sola dimensione e con tre una forma piana è facile intuire che per una struttura 3D servono quattro doppietti (NS = 4). I casi che si possono presentare invece da due salgono a tre.
Il primo caso è quello con n = 4 e m = 0, quindi AX4. Abbiamo quindi quattro coppie di elettroni coinvolte ciascuna in un legame diverso, come avviene ad esempio con i carboni chirali nelle molecole organiche. La molecola del metano (CH4), il composto organico più semplice, è l’emblema di questa struttura tridimensionale. Risulta un tetraedro con angolo di legame pari a 109,5°.
Secondo la teoria VSEPR ci sono però altre due tipologie di molecole ad avere NS =4. Se n = 3 e m = 1 abbiamo un composto di tipologia AX3E1. Quindi tre legami e un doppietto libero, come nel caso dell’ammoniaca del cloruro fosforoso (PCl3). Dato che la repulsione fra gli elettroni liberi e quelli legati è diversa l’angolo di legame cambia leggermente (107,5°).
L’ultima tipologia è quella con n e m entrambi uguali a 2 ( AX2E2). L’esempio classico è la molecola d’acqua (H2O) dove sull’ossigeno rimangono due doppietti slegati. L’angolo di legame si stringe ancora di più, scendendo a 104,5°.
