Chimica e chimica biologica - molecole

Lezione 5: molecole, forma, dimensione e lunghezza di legame

Tutte le proprietà delle cose che vediamo sono legate alla forma delle molecole che le compongono: lo studio delle forme delle molecole è quindi fondamentale, e per farlo passiamo al modello tridimensionale.

Teorie principali per la disposizione spaziale degli atomi

Sono state elaborate due teorie principali per spiegare la disposizione spaziale degli atomi nelle molecole:

Teoria VSEPR (valence shell electron pair repulsion)

Teoria VSEPR:

• Predice la disposizione spaziale degli atomi in molecole o ioni poliatomici.
• Non spiega come si forma il legame, dice soltanto dove si forma e dove sono dirette le coppie solitarie dello strato di valenza.
• Ci dice per esempio che CH₄ ha una struttura tetraedrica, H₂O tetraedrica distorta, CO₂ lineare, ma si ferma qui.

Teoria VB (valence binding)

Teoria VB:

• Descrive come si forma il legame in termini di sovrapposizione di legami atomici ibridi.

Teoria VSEPR dettagliata

Quando si rappresenta una molecola di solito non si tiene conto delle eventuali coppie solitarie.

1. Individua l'atomo centrale.
2. Gli altri atomi bisogna posizionarli il più lontano possibile l'uno dall'altro: teoricamente una molecola triatomica sarebbe planare con gli atomi laterali agli opposti, ma bisogna considerare la repulsione dovuta alle coppie solitarie.

VSEPR: repulsione tra coppie di elettroni dello strato di valenza: mettendo agli antipodi, il più lontano possibile, gli atomi laterali minimizzo le forze di repulsione.

Provo a immaginare dunque la configurazione del CH₄: è un tetraedro, l’atomo di C centrale e i 4 H disposti attorno ad esso il più possibile distanti l’uno dall’altro. Nell'H₂O però i due H non sono complanari ai due lati opposti dell’O, ma formano un angolo inferiore a 180°: gli angoli tra gli atomi sono causati dalla repulsione tra tutte le coppie di elettroni, anche quelle solitarie; la loro presenza dipende dalla configurazione elettronica del singolo elemento: O può formare due legami ma rimangono due coppie solitarie. Le coppie di elettroni dei legami multipli si trattano come entità singole equivalenti a una coppia di elettroni semplici.

Molecole prive di coppie solitarie sull'atomo centrale

• BeCl₂, struttura planare
• CH₄, tetraedrica
• ClF₃, tre Cl su un piano a triangolo, gli altri due uno da una parte e uno dall'altra

Molecole con coppie solitarie

Sono fondamentalmente delle configurazioni tetraedriche un po' distorte.

Se volessimo disegnare la configurazione di (SO₃)^2-, non sapendo della presenza di un doppietto elettronico solitario nell'S, faremmo una piramide; tenendo conto anche della coppia solitaria, quindi in pratica come se fosse ipoteticamente un SO₄, la faremmo a configurazione tetraedrica: in realtà le coppie di non legame esercitano una forza di repulsione maggiore di quelle di legame, facendo chiudere le coppie di legame cosicché l'angolo non sarà più di 109° ma più piccolo. Non si sa perché le coppie solitarie esercitino più di quelle di legame, si ipotizza che la nube elettronica delle coppie solitarie si possa espandere di più. Un numero maggiore di coppie solitarie fa chiudere di più l'angolo tra le coppie di legame.

In ordine di repulsione maggiore abbiamo:

• Coppia solitaria: coppia solitaria > coppia solitaria: coppia di legame > coppia di legame: coppia di legame

In definitiva la procedura è:

1. Scrivere la struttura di Lewis