Distorsione dell’angolo di legame

La geometria molecolare, ovvero il modo in cui gli atomi che costituiscono una molecola si dispongono nel piano o nello spazio, può essere prevista dalla teoria V.S.E.P.R. (Valence Shell Electron Pair Repulsion) cioè: repulsione delle coppie elettroniche dello strato di valenza.

Secondo questa teoria, le coppie elettroniche disposte sull’ultimo livello dell’atomo centrale tendono a disporsi il più lontano possibile tra loro, per effetto della repulsione, il che dà origine a una precisa disposizione degli atomi nello spazio, quindi a una precisa geometria della molecola.

I principi fondamentali della teoria sono i seguenti:

1)      Le coppie elettroniche interessate sono sia quelle impegnate nei legami che l’atomo centrale stabilisce con gli altri atomi (coppie condivise), sia quelle libere (coppie non condivise), purchè appartenenti all’ultimo livello.

2)         I doppi e i tripli legami si considerano come un legame semplice, in quanto la nuvola elettronica del legame multiplo ha un’unica direzione e l’effetto è quindi lo stesso di un’unica coppia.

3)        Le coppie non condivise, essendo più dilatate nello spazio di quelle impegnate in un legame, esercitano una forza repulsiva più intensa sulle altre coppie, fattore che influisce sul valore dell’angolo di legame

Mentre gli elettroni di legame sono condivisi tra due atomi, le coppie di non legame, ovvero quelle non condivise, sono attratte da un unico nucleo e la densità elettronica aumenta notevolmente. Un doppietto elettronico solitario quindi occupa uno spazio maggiore rispetto a una coppia di legame provocando una distorsione della geometria molecolare. Gli angoli di legame divengono conseguentemente minori per permettere al doppietto elettronico di occupare uno spazio maggiore.

Ad esempio, nel caso di CH4 molecola in cui sono presenti 4 coppie di elettroni di legame  vi sono 4 regioni separate ad alta densità elettronica intorno all’atomo centrale e quindi si può prevedere che il carbonio si dispone al centro di un tetraedro equilatero con angoli di 109.5°.

Per quanto riguarda la molecola di NH3 vi sono 4 coppie di elettroni di cui 3 condivise con un atomo di idrogeno rispettivamente e un doppietto elettronico solitario.

L’azoto è quindi contornato da quattro regioni separate ad alta densità elettronica di cui tre formano un legame con l’idrogeno e la quarta regione contiene un doppietto. L’angolo di legame osservato è di 107.3° inferiore a quello previsto nel caso di un tetraedro equilatero. La differenza tra l’angolo previsto e quello osservato è dovuto al fatto che la coppia di elettroni non condivisa occupa uno spazio maggiore costringendo le coppie elettroniche di legame ad occupare uno spazio minore.

Nel caso della molecola di H2O dove sono presenti 4 coppie di elettroni di cui due condivise e due non condivise il fenomeno descritto è ulteriormente accentuato e l’angolo di legame H-O-H risulta di 104.5°.

Per poter prevedere la geometria di una molecola e l’angolo di legame di devono quindi seguire alcuni passaggi:

1)      Determinazione della struttura di Lewis

2)      Calcolo del numero di coppie di elettroni condivise e non condivise

Tenendo conto delle considerazioni fatte per quanto attiene l’angolo di legame ci si può avvalere del seguente schema nel caso in cui l’atomo centrale rispetti la regola dell’ottetto:

Numero di coppie di elettroni Coppie di elettroni di legame Coppie di elettroni di non legame Geometria molecolare Esempio Angolo di legame
3 3 0 Trigonale planare BF3 120°
3 2 1 Angolare NO2 115°
4 4 0 Tetraedrica CCl4 109.5°
4 3 1 Piramidale trigonale NH3 107.3°
4 2 2 Angolare H2O 104.5°

 

 

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Author: Chimicamo

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