Formas das moléculas (VSEPR)

As ligações do metano ficam a 109.5° umas das outras, as da amônia a 107° e as da água a 104.5°. Cada uma tem quatro pares de elétrons em volta do centro.

Amarre quatro balões pelo bico e eles se acomodam sozinhos numa forma: apontam para os vértices de um tetraedro, o mais longe possível uns dos outros. Os pares de elétrons em volta de um átomo fazem algo muito parecido. Todos têm carga negativa, se repelem e se espalham para diminuir essa repulsão. A forma de uma molécula decorre de onde os pares vão parar.

Essa ideia se chama teoria da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência, VSEPR na sigla em inglês (no Brasil também TRPECV), e foi proposta por Ronald Gillespie e Ronald Nyholm em 1957. Para usá-la, conte as regiões de densidade eletrônica em volta do átomo central. Uma ligação simples, dupla ou tripla conta cada uma como uma região, porque todos os seus elétrons apontam na mesma direção. Um par não ligante, um par de elétrons que pertence ao átomo mas não participa de uma ligação, também conta como uma região.

Duas, três e quatro regiões

Duas regiões apontam em sentidos opostos, a 180°, o que dá uma molécula linear. O dióxido de carbono, O=C=O, tem duas ligações duplas e nenhum par não ligante no carbono, então é uma linha reta. Três regiões se espalham num triângulo plano a 120°, trigonal plana. Cada carbono do eteno tem três regiões (duas ligações C-H e a ligação dupla C=C), e a molécula toda é plana; o ângulo H-C-H medido é 117.6°, perto do ideal. Quatro regiões apontam para os vértices de um tetraedro, a 109.5°. O metano é o exemplo clássico dos livros.

Os pares não ligantes apertam o ângulo

A amônia e a água também têm quatro regiões em volta do átomo central, mas algumas são pares não ligantes. O nitrogênio do NH₃ tem três ligações e um par não ligante; o oxigênio do H₂O tem duas ligações e dois pares não ligantes. Um par não ligante é preso por um núcleo só, então se espalha mais perto desse átomo e empurra as ligações vizinhas com mais força que um par ligante. As ligações ficam apertadas. Na amônia, o ângulo H-N-H fecha de 109.5° para cerca de 107°; na água, com dois pares não ligantes, o ângulo H-O-H fecha ainda mais, para 104.5°.

O nome da forma descreve onde estão os átomos, não os pares não ligantes. A amônia é chamada de piramidal trigonal, uma pirâmide baixa com o nitrogênio no topo. A água é chamada de angular. Ligue "Pares não ligantes" no modelo e você vê o quarto vértice invisível do tetraedro da amônia, e os dois que completam o da água. O modelo os desenha como lóbulos amarelos com dois pontinhos para os elétrons; os pares não ligantes reais são nuvens de carga sem bordas definidas.

Moléculas maiores têm mais de um centro, e você aplica as mesmas regras a cada um. No etano, cada carbono tem quatro ligações simples, então cada carbono é tetraédrico e a molécula faz zigue-zague em três dimensões. No metanol, CH₃OH, o carbono é tetraédrico e o oxigênio, com duas ligações e dois pares não ligantes, é angular como o oxigênio da água. O benzeno é o caso oposto: cada um dos seus seis carbonos tem três regiões, então os doze átomos ficam num hexágono plano com ângulos de 120°. Escolha cada uma delas no modelo e olhe de lado para conferir.