Introduzione alla geometria molecolare

La geometria molecolare o la struttura molecolare è la disposizione tridimensionale degli atomi all'interno di una molecola. È importante essere in grado di prevedere e comprendere la struttura molecolare di una molecola perché molte delle proprietà di una sostanza sono determinate dalla sua geometria. Esempi di queste proprietà includono polarità, magnetismo, fase, colore e reattività chimica. La geometria molecolare può anche essere usata per prevedere l'attività biologica, progettare farmaci o decifrare la funzione di una molecola.

Valence Shell, Bonding Pairs e Modello VSEPR

La struttura tridimensionale di una molecola è determinata dai suoi elettroni di valenza, non dal suo nucleo o dagli altri elettroni negli atomi. Gli elettroni più esterni di un atomo sono i suoi elettroni di valenza. Gli elettroni di valenza sono gli elettroni che sono più spesso coinvolti nella formazione di legami e nella fabbricazione di molecole.

Le coppie di elettroni sono condivise tra gli atomi in una molecola e tengono insieme gli atomi. Queste coppie sono chiamate "coppie di legame".

Un modo per prevedere il modo in cui gli elettroni all'interno degli atomi si respingeranno è applicare il modello VSEPR (repulsione di coppia di elettroni con guscio di valenza). VSEPR può essere utilizzato per determinare la geometria generale di una molecola.

Predire la geometria molecolare

Ecco un grafico che descrive la solita geometria per le molecole in base al loro comportamento di legame. Per usare questa chiave, prima disegna la struttura di Lewis per una molecola. Conta quante coppie di elettroni sono presenti, incluse le coppie di legame e le coppie solitarie. Tratta i legami sia doppi che tripli come se fossero coppie di elettroni singoli. A è usato per rappresentare l'atomo centrale. B indica gli atomi che circondano A. E indica il numero di coppie di elettroni solitari. Gli angoli di legame sono previsti nel seguente ordine:

repulsione della coppia solitaria rispetto alla coppia solitaria> repulsione della coppia solitaria rispetto alla coppia di legame> repulsione della coppia di legame rispetto alla coppia di legame

Esempio di geometria molecolare

Ci sono due coppie di elettroni attorno all'atomo centrale in una molecola con geometria molecolare lineare, 2 coppie di elettroni di legame e 0 coppie solitarie. L'angolo di legame ideale è di 180 °.

Geometria	genere	Numero di coppie di elettroni	Angolo di legame ideale	Esempi
lineare	AB2	2	180 °	BeCl2
trigonale planare	AB3	3	120 °	BF3
tetrahedral	AB4	4	109,5 °	CH4
trigonale bipiramidale	AB5	5	90 °, 120 °	Pci5
octohedral	AB6	6	90 °	SF6
piegato	AB2E	3	120 ° (119 °)	COSÌ2
trigonale piramidale	AB3E	4	109,5 ° (107,5 °)	NH3
piegato	AB2E2	4	109,5 ° (104,5 °)	H2O
altalena	AB4E	5	180 °, 120 ° (173.1 °, 101.6 °)	SF4
T-figura	AB3E2	5	90 °, 180 ° (87,5 °,<180°)	ClF3
lineare	AB2E3	5	180 °	XeF2
piramidale quadrata	AB5E	6	90 ° (84,8 °)	BrF5
planare quadrato	AB4E2	6	90 °	XeF4

Isomeri nella geometria molecolare

Le molecole con la stessa formula chimica possono avere atomi disposti diversamente. Le molecole sono chiamate isomeri. Gli isomeri possono avere proprietà molto diverse tra loro. Esistono diversi tipi di isomeri:

• Gli isomeri costituzionali o strutturali hanno le stesse formule, ma gli atomi non sono collegati tra loro la stessa acqua.
• Gli stereoisomeri hanno le stesse formule, con gli atomi legati nello stesso ordine, ma gruppi di atomi ruotano attorno a un legame in modo diverso per produrre chiralità o mano. Gli stereoisomeri polarizzano la luce in modo diverso l'uno dall'altro. In biochimica, tendono a mostrare diverse attività biologiche.

Determinazione sperimentale della geometria molecolare

È possibile utilizzare le strutture di Lewis per prevedere la geometria molecolare, ma è meglio verificare queste previsioni a livello sperimentale. Diversi metodi analitici possono essere utilizzati per l'immagine di molecole e conoscere la loro assorbanza vibrazionale e rotazionale. Esempi includono cristallografia a raggi X, diffrazione di neutroni, spettroscopia infrarossa (IR), spettroscopia Raman, diffrazione di elettroni e spettroscopia a microonde. La migliore determinazione di una struttura viene effettuata a bassa temperatura perché l'aumento della temperatura fornisce alle molecole più energia, il che può portare a cambiamenti di conformazione. La geometria molecolare di una sostanza può essere diversa a seconda che il campione sia solido, liquido, gassoso o parte di una soluzione.

Asporto chiave di geometria molecolare

• La geometria molecolare descrive la disposizione tridimensionale degli atomi in una molecola.
• I dati che possono essere ottenuti dalla geometria di una molecola includono la posizione relativa di ciascun atomo, le lunghezze di legame, gli angoli di legame e gli angoli torsionali.
• La previsione della geometria di una molecola consente di prevederne reattività, colore, fase della materia, polarità, attività biologica e magnetismo.
• La geometria molecolare può essere prevista usando le strutture VSEPR e Lewis e verificata mediante spettroscopia e diffrazione.

Riferimenti

• Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; Murillo, Carlos A .; Bochmann, Manfred (1999), Advanced Inorganic Chemistry (6 ° ed.), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5.
• McMurry, John E. (1992), Chimica organica (3a edizione), Belmont: Wadsworth, ISBN 0-534-16218-5.
• Miessler G.L. e Tarr D.A. Chimica inorganica (2a edizione, Prentice-Hall 1999), pagg. 57-58.