ALLA FORMA DELLE MOLECOLE TEORIA VSEPR DALLE FORMULE DI LEWIS ALLA FORMA DELLE MOLECOLE

Le tappe nella conversione di una formula molecolare in una struttura di Lewis

DOMANDA Possiamo predire la forma delle molecole semplicemente combinando gli orbitali atomici disponibili su ciascun atomo? ….. proviamo per l’ H2O

. O .. .. . ORBITALI DELL’ OSSIGENO ossigeno = [He]2s22p4 2p22p12p1 z y . 2p 2p22p12p1 .. 2p .. 2s . 2p O x Gli orbitali 2p sono perpendicolari (90o)

. H O .. . . H Combinazione degli orbitali atomici dell’H2O ossigeno = [He]2s22p4 idrogeno = 1s1 .. 2s 2p O y x z . Combinazione degli orbitali atomici dell’H2O H . 1s La predizione di un angolo di 90° è sbagliata. H . 1s

H O Risultati sperimentali l’effettivo angolo H-O-H (misurato con la diffrazione elettronica) è di 104o H O 104o Non c’è accordo con il modello atomico!

Una teoria più efficace V alence S hell E lectron P air R epulsion Stabilisce che le coppie elettroniche del livello di valenza, siano esse coppie solitarie o coppie di legame, si dispongono nello spazio alla maggior distanza possibile tra di loro onde minimizzare gli effetti repulsivi.

Teoria VSEPR Un atomo è circondato da elettroni di valenza che possono formare legami singoli, doppi, tripli o restare non condivisi. In ciascuna di tali situazioni si creano attorno al nucleo delle regioni di densità elettronica che si tengono il più distanti possibili per minimizzare le repulsioni e che determinano la geometria della molecola. 2 regioni di densità elettronica LINEARE 3 regioni di densità elettronica TRIGONALE PLANARE 4 regioni di densità elettronica TETRAEDRO 5 regioni di densità elettronica BIPIDAMIDE TRIGONALE 6 regioni di densità elettronica OTTAEDRICA

GEOMETRIA LINEARE

2 atomi si dispongono attorno all’atomo centrale formando angoli uguali di 180° C lineare

RISULTATI SPERIMENTALI I legami tripli contano come 1 coppia ottetto incompleto H–CC–H C H 3 M g Be H–CN: CH3–CC–CH3 entrambi 180o tutti 180o CH2=C=CH2 Le molecole lineari non deviano da 180°! O=C=O CH2=C=O

GEOMETRIA TRIGONALE PLANARE

3 atomi si dispongono intorno all’ atomo centrale formando angoli uguali e descrivono un triangolo equilatero, con angoli di 120° 120°

C N O C trigonale planare + +

H C + F B RISULTATI SPERIMENTALI Non è una molecola stabile, ottetto incompleto H C + F B 120o 120o carbocatione Non è una molecola stabile, è uno ione “intermedio” - reagisce velocemente Tutte le repulsioni uguali 3 legami equivalenti

Trifluoruro di Boro F B 120o Tutte le repulsioni uguali 3 legami equivalenti Geometria triangolare

Deviazioni dagli angoli ideali della struttura trigonale planare 1. REPULSIONI DISEGUALI Negli alcheni l’angolo diedro C=C–H è maggiore dell’angolo diedro H–C–H. > 120o repulsioni maggiori C .. . H 1 coppia – 2 coppie < 120o repulsioni minori 1 coppia – 1 coppia

.. . .. . Repulsioni diseguali H C C Cl H C CH2 F Cl LEGAMI NON POLARI Nei legami C-H gli elettroni sono condivisi quasi equamente tra C e H. LEGAMI NON POLARI r maggiori repulsioni In un legame C-Cl gli elettroni sono più vicini al cloro e più lontani tra di loro. LEGAMI POLARI . C .. Cl R minori repulsioni Il Cl elettronegativo attira elettroni verso di sé (legame polare). polare

Repulsioni diseguali L’angolo è inferiore ai 120° GEOMETRIA ANGOLATA SO2 L’angolo è inferiore ai 120°

RISULTATI SPERIMENTALI Doppio legame C=C, C=O I doppi legami contano come una coppia singola C H 117o 121.5o O 116o 122o C H 2 l 123o 114o F 125o 110o O 124.5o 111o 126o 108o

GEOMETRIA TETRAEDRICA

4 zone di densità elettronica sono disposte attorno all’ atomo centrale. Si formano angoli uguali che descrivono un tetraedro.Gli angoli sono di 109°28' 109°28'

CH4

Variazioni sul tetraedro L’atomo centrale può essere C, N, O, etc. TETRAEDRICO Quando quattro atomi sono disposti attorno all’atomo centrale la geometria si definisce tetraedrica. PIRAMIDALE .. Quando è presente una coppia di elettroni la geometria è piramidale ANGOLARE .. Quando sono presenti due coppie di elettroni la geometria è angolare

N .. H : MISURE SPERIMENTALI DEGLI ANGOLI I lone pair di elettroni sono diffusi. E’ difficile misurare l’angolo tra un elettrone e un atomo o un’altra coppia. N H : .. ? 107o Gli atomi possiedono i nuclei e quindi sono facilmente localizzabili. L’angolo H-N-H è facile da misurare. Gli altri angoli sono generalmente calcolati.

H : C N .. .. H : REPULSIONI TRA ELETTRONI 109o28’ 107o l’angolo diventa maggiore repulsione repulsioni minori l’angolo diventa minore 107o Molecola simmetrica tutte le repulsioni sono uguali Molecola non simmetrica le coppie non condivise respingono di più delle coppie di legame perfetto tetraedro tutti gli angoli di 109o28’ L’angolo H-N-H si riduce a 107o

CH3 : .. C H REPULSIONI STERICHE C H 112o 106o 3 “Repulsioni Steriche” I gruppi CH3 sono così voluminosi che si respingono allargando l’angolo. C CH3 H : .. H C 3 112o 106o

H C H S P H N O H H RISULTATI SPERIMENTALI C l H H C F C H N 109o tetraedro Perfetta Simmetria C l H H C 3 110o 108o 112o 106o H C F 108o 112o H S 92o P 93o H N 107o piramide C H 3 N 104.9o angolare O H H 108o 3°Periodo

.. .. N P P H N H ELEMENTI DEL 3° PERIODO HANNO TENDENZA INFERIORE A FORMARE TETRAEDRI Gli elettroni sono più diffusi e più lontani dal nucleo. P .. repulsioni maggiori N .. repulsioni minori H P 93o 2° PERIODO 3° PERIODO H N 107o La coppia non condivisa sul P occupa molto più spazio di quella sull’azoto

GEOMETRIA PIRAMIDALE A BASE TRIGONALE

5 zone di densità elettronica sono disposte attorno all’ atomo centrale. Si formano angoli di 90 e 120 gradi che descrivono una bipiramide a base trigonale

Variazioni sulla bipiramide trigonale Quando è presente una coppia di elettroni la geometria è a sella di cavallo o altalena ALTALENA O SELLA DI CAVALLO A FORMA DI T Quando sono presenti due coppie di elettroni la geometria è a T Quando sono presenti tre coppie di elettroni la geometria è lineare LINEARE

MOLECOLE CON 5 COPPIE DI ELETTRONI ALTALENA O SELLA DI CAVALLO SF4

MOLECOLE CON 5 COPPIE DI ELETTRONI LINEARE A FORMA di T XeF2 ClF3

GEOMETRIA OTTAEDRICA

6 zone di densità elettronica sono disposte attorno all’ atomo centrale. Si formano angoli di 90 gradi che descrivono un ottaedro

Variazioni sull’ottaedro Quando è presente una coppia di elettroni la geometria è piramidale a base quadrata PIRAMIDALE A BASE QUADRATA Quando sono presenti due coppie di elettroni la geometria è quadrato planare QUADRATA PLANARE

MOLECOLE CON 6 COPPIE DI ELETTRONI PIRAMIDALE A BASE QUADRATA QUADRATA PLANARE BrF5 XeF4

VALENCE SHELL ELECTRON PAIR REPULSION Zone di densità geometria angoli ibridazione 6 zone ottaedrica 90o d2sp3 5 zone bipiramide 120o, 90o dsp3 trigonale 4 zone tetraedrica 109o28’ sp3 (piramidale, angolare) 3 zone trigonale 120o sp2 planare 2 zone lineare 180o sp Per la maggior parte delle molecole, queste previsioni sono corrette in un range di pochi gradi (± 5o).

Repulsioni tra gruppi di elettroni e le cinque forme molecolari fondamentali Quando un dato numero di gruppi di elettroni connessi a un atomo centrale (rosso) si respingono mutuamente, essi massimizzano l’angolo di separazione e si orientano il più lontano possibile nello spazio. Se ciascun gruppo di elettroni è un gruppo di legame con un atomo circostante (grigio chiaro), si osservano le forme molecolari e gli angoli di legame mostrati qui, e il nome della forma molecolare è uguale a quello della disposizione dei gruppi di elettroni. Quando uno o più dei gruppi di elettroni è una coppia solitaria, si osservano altre forme molecolari, come si vedrà nelle figure seguenti.

La singola forma molecolare della disposizione lineare dei gruppi di elettroni

Le due forme molecolari della disposizione planare trigonale dei gruppi di elettroni

Le tre forme molecolari della disposizione tetraedrica dei gruppi di elettroni

Le quattro forme molecolari della disposizione bipiramidale trigonale dei gruppi di elettroni

Le tre forme molecolari della disposizione ottaedrica dei gruppi di elettroni.