Forma de las moléculas emos visto que podemos determinar la manera en que están unidos los átomos en una sustancia covalente Y a pesar de sus deficiencias, sigue siendo el método que empleamos los químicos para ello Sin embargo, las estructuras de Lewis, no nos indican la forma de la molécula. Y resulta importantísimo notar que las formas de las moléculas o geometría molecular son esenciales para comprender el reconocimiento molecular y la función molecular Como podemos resolver este problema? 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 60 Antes que nada, conviene mostrar algunos hechos: Las moléculas son conjuntos de átomos distribuidos en el espacio tridimensional Por tanto, su distribución debe aprovechar esto. De manera que, los átomos deben distribuirse en arreglos tridimensionales en sus moléculas La estructura de Lewis del tetracloruro de carbono: Nos da información acerca de su conectividad Acerca de los electrones de valencia Acerca del carácter de su enlace Sin embargo no nos dice nada acerca de la forma de la molécula. 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 61 La forma de las moléculas Ahora bien la estructura de una molécula estará definida por: Sus ángulos de enlace Sus longitudes de enlace Así en el tetracloruro de carbono: Cada enlace C-Cl mide 1.78Å Cada ángulo de enlace Cl-C-Cl vale 109.5 Esto es, el CCl 4 tiene estructura tetraédrica: 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 62 1
A continuación mostraremos una serie de moléculas y sus arreglos observados: # átomos Ejemplo Forma Geometría 2 2,F,Cl Lineal 3 CO 2,CN Lineal 3 2 O,O 3,SO 2 Angular 4 BF 3,NO 3 - Trigonal plana Arreglos observados # átomos Ejemplo Forma Geometría 4 N 3,PCl 3 Trigonal piramidal 5 XeF 4 Cuadrada 5 SF 4 Tetraédrica distorsionada Arreglos observados # átomos Ejemplo Forma Geometría 5 C 4,SO 4 2- Tetraédrica 6 PCl 5 Bipirámide trigonal 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 63 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 64 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 65 2
Arreglos observados # átomos Ejemplo Forma Geometría 6 BrF 5 Pirámide cuadrada Arreglos observados # átomos Ejemplo Forma Geometría 8 IF 7 Bipirámide pentagonal Otra manera de ver esto es así: 7 SF 6 Octaédrica 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 66 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 67 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 68 3
Es claro, que debido a la diversidad de formas que las moléculas de los compuestos covalentes pueden tener es necesario tener una herramienta que nos permita predecir esto Todas las estructuras pueden predecirse usando el modelo de: valence-shell electron-pair repulsion model (VSEPR) O en español modelo de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (RPECV) 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 69 El modelo de RPECV Este modelo se basa justamente en la repulsión que se presenta entre los electrones Para comprenderlo pensemos en lo siguiente: Cuando atamos un conjunto de globos, estos adoptan un arreglo que minimiza los choques estéricos entre vecinos obteniéndose una distribución de mínima energía lineal triangular tetraédrica 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 70 El modelo de RPECV Por otra parte, los átomos al unirse, utilizan los electrones de sus orbitales de valencia Y dado que los electrones tienen carga negativa, estos tienden a repelerse unos a otros Entonces, los pares de electrones de enlace repelen a otros electrones de la capa de valencia El mejor arreglo espacial de los electrones de enlace en la capa de valencia es aquel en el que: las repulsiones interelectrónicas son mínimas 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 71 4
El modelo de RPECV Como se pueden arreglar varios pares electrónicos? El modelo de RPECV De esta manera tenemos que: Dos pares electrónicos en la capa de valencia se acomodan linealmente El modelo de RPECV Cuatro pares electrónicos en la capa de valencia se acomodan en un arreglo tetraédrico Tres pares electrónicos en la capa de valencia se organizan en un arreglo triangular Cinco pares electrónicos se organizan en un arreglo bipiramidal trigonal 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 72 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 73 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 74 5
El modelo de RPECV Seis pares electrónicos en la capa de valencia se organizan en un arreglo octaédrico En general, podemos decir que la forma de cualquier molécula puede relacionarse a una de estas cinco estructuras básicas 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 75 con el modelo de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia Antes que nada se determina la fórmula molecular y su estructura de Lewis: Metano: Amoniaco: Agua: C 4 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 76 C N 3 N 2 O O Se cuenta el número de pares electrónicos Se clasifican Metano: C 4 = 4; C 4 = 4 enlace Amoniaco: N 3 = 4; N 3 = 3 enlace, 1 solitario Agua: 2 O = 4; 2 O = 2 enlace 2 solitarios Se ponen en 3D 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 77 O 6
Pero, los pares electrónicos solitarios son iguales a los de enlace? No, son diferentes! Qué pasa con los electrones desapareados? También son diferentes par de enlace par solitario desapareado 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 78 En las estructuras moleculares hay dos tipos de pares electrónicos de valencia: Los pares de enlace (compartidos por dos átomos en un enlace) Los pares de no-enlace (también llamados pares solitarios) Un par de enlace ocupa menos espacio que un par solitario o aún que un electrón desapareado de manera que: Par solitario - par solitario se repelen más que Par solitario - par de enlace y estos más que Par de enlace - par de enlace 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 79 Esto se debe a que los pares electrónicos de enlace se encuentran localizados entre dos átomos, o sea, están compartidos por dos átomos En tanto que los electrones de no-enlace están atraídos por un solo núcleo Se puede pensar que los pares electrónicos de noenlace tienen una nube electrónica mayor que la de los de enlace De tal manera que, se apiñan sobre los pares de enlace y los repelen obligándolos a distorsionarse. Evidentemente si un átomo es muy electronegativo y está rodeado de electrones tendrá un efecto diferente. 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 80 7
De manera que, los pares solitarios empujarán a los pares de enlace. Al aplicar esto a las estructuras moleculares: lmetano lamoniaco lagua En el caso de la molécula de C 3 Cl: Estructura de Lewis: Estructura tridimensional De esta manera, las estructuras estudiadas tienen esta geometría: Nótese que los ángulos decrecen conforme aumenta el número de pares electrónicos de no-enlace Estar el Cl rodeado de electrones atrae a los hidrógenos un poco: Lo que hace que el ángulo -C- disminuya ligeramente 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 81 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 82 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 83 8
En el caso de la bipirámide trigonal, el arreglo de los electrones de valencia tiene dos clases de pares electrónicos diferentes geométricamente, los axiales: los ecuatoriales: Los pares electrónicos de no-enlace (nubes más grandes), prefieren las posiciones axiales para minimizar la repulsión. Cuando hay un solo par electrónico de no-enlace, no importa donde lo pongamos. Sin embargo, si hay dos pares de no enlace, el segundo preferirá quedar a 180 del primero para minimizar las interacciones. 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 84 En el caso de cinco pares de electrones se hace lo mismo, con la distribución en 3D que corresponde Primero se encuentra la distribución Después se analizan las interacciones: SF 4 E arreglo interacciones Del análisis de las interacciones se obtiene la: estructura 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 85 La estructura de este compuesto se ha determinado y tiene esta forma: Parece un subibaja 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 86 9
En la estructura de Lewis del amoniaco se tienen: Tres pares electrónicos de enlace Un par electrónico de no-enlace Es decir cuatro pares electrónicos La repulsión electrónica en la capa de valencia se minimiza a alejar todo lo posible los cuatro pares, esto en 3D, es un arreglo tetraédrico. Es decir, la geometría de los pares electrónicos es tetraédrica Este es pues el arreglo de los pares electrónicos de valencia, pero y que pasa con los átomos de la molécula? 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 87 La geometría molecular es el arreglo de los átomos del compuesto en el espacio. Y conociendo la geometría de los pares electrónicos podemos predecir la geometría molecular. Así, en el caso del amoniaco, podemos predecir que los tres hidrógenos están en los vértices de un tetraedro y el par solitario de no-enlace se encuentra en el cuarto vértice. Entonces, el amoniaco tendrá una configuración de pirámide trigonal. 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 88 Los pasos para determinar la estructura de una molécula empleando el modelo de VSEPR o RPECV son: Dibuja la estructura de Lewis. Cuenta el número total de pares electrónicos alrededor del átomo central. Organízalos para minimizar la repulsión electrónica. Describe la geometría molecular en términos del arreglo angular de los pares de enlace. Y que ocurre con los enlaces dobles y triples? Los enlaces dobles o triples cuentan como un solo par de enlace al predecir la geometría Es decir, los tratamos casi como si fueran sencillos. 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 89 10
Como siempre los ponemos lo más lejos unos de los otros: 120 180 C C C C Pero como los enlaces múltiples tienen mayor densidad electrónica que los sencillos, también distorsionan un poco la geometría al apelotonarse y repeler a los de enlace: 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 90 Formaldehído En el caso de estructuras resonantes también debemos conocer el número de átomos enlazados y el de pares solitarios, Por tanto antes que nada debemos conocer el híbrido de resonancia. Que en el caso del ozono O 3 es: Al examinar las interacciones: Interacciones Resultado 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 91 Finalmente en el caso de tener electrones desapareados como en el NO 2 : Otra vez, antes que nada, determinamos la distribución electrónica primero Y analizamos las interacciones Distribución Interacciones Resultado En las moléculas que tienen más de un átomo central, el modelo de VSEPR también puede usarse para determinar su estructura, tal sería el caso del C 3 COO 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 92 11
Cuya estructura de Lewis es esta: Ahora analizamos cada átomo que tiene más de un sustituyente. El primer carbono tiene cuatro pares de electrones de enlace y por tanto será tetraédrico El segundo carbono tiene tres enlaces. Recuerden que los enlaces múltiples cuentan como uno en el modelo de VSEPR, y por tanto el arreglo será triangular El oxígeno de la derecha tiene cuatro pares de electrones de valencia y será tetraédrico, solo dos son de enlace tendrá conformación angular. De manera que la estructura molecular del ácido acético queda así: Y la podremos representar así: O O así: C 3 O si prefieren así: C O 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 93 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 94 18/10/16 INTERACCIONES QUÍMICAS 95 12