Forma delle molecole (VSEPR)

I legami del metano formano angoli di 109.5°, quelli dell'ammoniaca di 107° e quelli dell'acqua di 104.5°. Ognuna ha quattro coppie di elettroni intorno all'atomo centrale.

Lega quattro palloncini per il collo e si sistemano da soli in una forma: puntano verso i vertici di un tetraedro, il più lontano possibile l'uno dall'altro. Le coppie di elettroni intorno a un atomo fanno qualcosa di molto simile. Hanno tutte carica negativa, si respingono e si distribuiscono per ridurre al minimo la repulsione. La forma di una molecola dipende da dove finiscono le coppie.

Questa idea si chiama teoria della repulsione delle coppie di elettroni del livello di valenza, in breve VSEPR, e fu formulata da Ronald Gillespie e Ronald Nyholm nel 1957. Per usarla conta le regioni di densità elettronica intorno all'atomo centrale. Un legame semplice, doppio o triplo conta come una regione, perché tutti i suoi elettroni puntano nella stessa direzione. Anche un doppietto libero, una coppia di elettroni che appartiene all'atomo ma non è usata in un legame, conta come una regione.

Due, tre e quattro regioni

Due regioni puntano in direzioni opposte, a 180°, e danno una molecola lineare. Il diossido di carbonio, O=C=O, ha due legami doppi e nessun doppietto libero sul carbonio, quindi è una linea retta. Tre regioni si dispongono in un triangolo piatto a 120°: trigonale planare. Ogni carbonio dell'etene ha tre regioni (due legami C-H e il doppio legame C=C), e l'intera molecola è piatta; l'angolo H-C-H misurato è 117.6°, vicino a quello ideale. Quattro regioni puntano verso i vertici di un tetraedro a 109.5°. Il metano è l'esempio classico.

I doppietti liberi stringono l'angolo

Anche l'ammoniaca e l'acqua hanno quattro regioni intorno all'atomo centrale, ma alcune sono doppietti liberi. L'azoto in NH₃ ha tre legami e un doppietto libero; l'ossigeno in H₂O ha due legami e due doppietti liberi. Un doppietto libero è trattenuto da un solo nucleo, quindi si allarga più vicino a quell'atomo e spinge sui legami vicini più forte di una coppia di legame. I legami vengono stretti tra loro. Nell'ammoniaca l'angolo H-N-H si chiude da 109.5° a circa 107°; nell'acqua, con due doppietti liberi, l'angolo H-O-H si chiude ancora, fino a 104.5°.

Il nome della forma descrive dove stanno gli atomi, non i doppietti liberi. L'ammoniaca si dice piramidale trigonale, una piramide bassa con l'azoto in cima. L'acqua si dice angolata. Attiva «Doppietti liberi» nel modello e vedrai il quarto vertice invisibile del tetraedro dell'ammoniaca, e i due che completano quello dell'acqua. Il modello li disegna come lobi gialli con due puntini per gli elettroni; i veri doppietti liberi sono nuvole di carica senza bordi netti.

Le molecole più grandi hanno più di un centro, e a ciascuno si applicano le stesse regole. Nell'etano ogni carbonio ha quattro legami semplici, quindi ogni carbonio è tetraedrico e la molecola procede a zigzag in tre dimensioni. Nel metanolo, CH₃OH, il carbonio è tetraedrico e l'ossigeno, con due legami e due doppietti liberi, è angolato come quello dell'acqua. Il benzene è il caso opposto: ognuno dei suoi sei carboni ha tre regioni, quindi tutti e dodici gli atomi stanno in piano in un esagono con angoli di 120°. Sceglili uno alla volta nel modello e guardali di taglio per verificarlo.