Probablemente, has visto un modelo 3D de una molécula y te habrás dado cuenta de que sus átomos se distribuyen en el espacio, formando estructuras geométricas distintivas. Pero, ¿de qué dependen la distancia y la posición relativa entre sus átomos? La Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (o TRPECV), también conocida como la teoría de Gillespie-Nyholm, es una extensión de la teoría de Lewis que permite entender cómo la repulsión entre los electrones determina los ángulos de los enlaces, y por ende, la disposición espacial de los átomos dentro de una molécula.
- En primer lugar, veremos la historia y los autores de la TRPECV.
- A continuación, definiremos la TRPECV.
- Después, repasaremos los supuestos de la TRPECV.
- Luego, aprenderemos cómo las estructuras de Lewis nos permiten visualizar las predicciones de la TRPECV.
- Por último, compararemos las diferentes geometrías moleculares basadas en geometrías de dos, tres, cuatro, cinco y seis electrones.
¿Quién propuso la TRPECV?
La TRPECV no fue propuesta por un solo investigador; más bien es una idea a la que contribuyeron muchos científicos de renombre. La propusieron por primera vez Sidgwick y Powell, en 1940; más tarde, Ronald Gillespie y Sir Ronald Nyholm la convirtieron en un área completa de la química teórica, en 1957.
A continuación, la teoría se puso a prueba mediante muchos métodos diferentes y se confirmó. Realmente demostró cómo una teoría matemática puede explicar la forma de las moléculas; lo que, a su vez, da razón del comportamiento y las interacciones de los átomos dentro de las moléculas y los compuestos.
VESPR (RPECV)
El acrónimo de la RPECV significa Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia. En inglés es VSEPR, que proviene de Valence Shell Electron Pair Repulsion.
La "T" de teoría puede o no ser parte del acrónimo, por lo que Teoría RPECV o TRPECV son expresiones equivalentes.
La TRPECV explica la forma tridimensional de las moléculas, basándose en la repulsión de los pares de electrones y la presencia de enlaces.
Por tanto:
- La TRPECV nos permite entender por qué ciertas moléculas tienen determinadas formas tridimensionales (3D).
- También puede ayudar a deducir la forma 3D de las moléculas, a partir de representaciones bidimensionales (2D).
Es necesario comprender los principios básicos en los que se basa la teoría, como los principios del comportamiento de los pares de electrones dentro de una molécula —representados, habitualmente, por las estructuras de Lewis—.
La TRPECV se basa en la premisa de que la geometría que adoptará una molécula es aquella en la que los grupos de electrones tienen la máxima separación posible. Así se trate de pares solitarios de electrones, enlaces simples, enlaces múltiples o electrones no apareados, se repelen entre sí.
A continuación, repasemos el significado de repulsión.
Repulsión: significado
La palabra repulsión proviene del latín repulsĭo , que hace referencia al acto de repeler o repulsar (despreciar o rechazar) algo.
En química, la repulsión es una fuerza electroestática que causa que dos cargas con la misma polaridad se separen, una de la otra.
Los electrones son partículas con carga negativa, por lo que la TRPECV se basa en el supuesto de que los dominios de electrones —ya sean un par compartido o un par solitario— van a tender a repelerse. Esto aumenta la distancia entre ellos, tanto como sea posible.
Ahora te estarás preguntando ¿qué es un dominio de electrones?
Dominio de electrones
El número de dominios de electrones se utiliza en la teoría VSEPR para determinar la geometría de una molécula.
Un dominio de electrones es la zona del espacio de la capa de valencia en la que se encuentran un electrón no compartido, un par de electrones no compartido o un par o más de electrones compartidos. Los electrones compartidos pueden ser tanto enlaces simples como dobles y triples.
En química, los grupos de electrones se consideran dominios de electrones.
Con grupos de electrones, nos referimos a todo electrón, o par solitario, o enlaces alrededor de un átomo central de una molécula.
De este modo, el número de dominios de una molécula será igual al número de grupos de electrones de valencia —sea cual sea su condición (enlazados o solitarios)— que se encuentren en la parte más externa de la molécula.
Supuestos de la TRPECV
Las principales suposiciones que debemos tener en cuenta son las diferencias en los enlaces, y los dominios de electrones:
En primer lugar, la geometría de las moléculas está dada por pares de electrones que que se encuentran ubicados alrededor de un elemento central. Los pares de electrones tienden a distribuirse, estableciendo entre ellos la mayor distancia posible, de modo que las fuerzas de repulsión entre estos dominios sean mínimas.
- En segundo lugar, los enlaces dobles y triples ocupan un espacio mayor, ya que más electrones significa una densidad electrónica ocupando un espacio más grande. De este modo, los enlaces dobles y triples se comportan de una manera diferente a los enlaces simples.
- En tercer lugar, tenemos que considerar que un par de electrones no compartidos tendrá una mayor repulsión que un par de electrones compartidos. Por esto, el valor de los ángulos será distinto y, en consecuencia, su geometría será diferente.
Las estructuras de Lewis y la TRPECV
Los diagramas o estructuras de Lewis destacan la presencia de electrones compartidos y pares no compartidos de electrones en un átomo o una molécula. La distinción de estas especies con respecto a un átomo en concreto permite crear formas basadas en TRPECV. En una estructura de Lewis, un par de electrones puede representarse mediante dos puntos (sin son solitarios o no compartidos) o una línea (si son compartidos —o sea, están enlazados—).
Un par de electrones en la capa más externa suele denominarse par de electrones no compartido, no enlazante o solitario.
A continuación, puedes ver un ejemplo de cómo la estructura de Lewis cambia cuando aparece un enlace:
Piensa en la forma 3D que adoptará la molécula. Como se trata de una molécula diatómica, podemos suponer que la forma más probable que adoptará será una geometría lineal. ¿Pero qué pasa con las moléculas más enrevesadas? En la siguiente sección, exploraremos cómo la TRPECV predice formas mucho más complejas.
La TRPECV en dos y tres dominios electrónicos
En el ejemplo anterior de la molécula diatómica F2, pudimos ver que hay un enlace. Los pares no compartidos individuales quieren extenderse al máximo para crear una geometría lineal, por lo que la forma molecular tiene un ángulo de 180°; esto forma una geometría lineal.
Si una molécula tiene tres átomos, ¿cuál sería la forma que adopta? Asumimos que con tres átomos alrededor de un átomo central, los enlaces se extenderían al máximo; esto daría una geometría trigonal plana, con ángulos entre los átomos de 120°.
El siguiente diagrama muestra las geometrías moleculares de las moléculas con dos o tres átomos unidos a un átomo central:
TRPECV en cuatro dominios electrónicos
¿Cómo se configura la forma 3D de una molécula con cuatro átomos alrededor de uno central? En una representación 2D, una molécula con cuatro dominios de electrones se representaría con ángulos rectos (90°). Pero en el espacio 3D, ¿es esa la disposición más adecuada de los pares de electrones para tomar la mayor distancia posible?, ¿un ángulo de 90º permitiría la máxima distancia entre los átomos enlazados debido a la repulsión?
Aquí es donde hay que pensar más allá del plano 2D. Una molécula con cuatro dominios de electrones adopta una geometría tetraédrica. Los ángulos de enlace son de 109,5°, ya que este maximiza el espacio. Puedes pensar en la forma que crean los cuatro dominios de electrones como en una forma piramidal. La figura siguiente representa una geometría molecular tetraédrica, resultado de la repulsión de los pares de electrones.
Observa que el ángulo de enlace de 109,5° de una geometría molecular tetraédrica solo se alcanza cuando todos los dominios de electrones son idénticos, lo que significa que todos ellos son pares de electrones compartidos. Cuando hay una mezcla de pares no compartidos y pares compartidos alrededor de un átomo central, los ángulos y (posteriormente) la forma, cambian. Esto se debe a la mayor repulsión de un par no compartido de electrones en comparación con un par compartido.
Tomemos como ejemplos el NH3 y el H2O, ambos con pares solitarios alrededor de un átomo central.
En este caso, las geometrías moleculares son tetraédricas, pero los valores de los ángulos entre los átomos varían considerablemente.
- En el agua (H2O), dos de ellos son pares no compartidos. Estos se repelen más que los pares de electrones compartidos (enlaces O-H), por lo que el ángulo entre los enlaces se acerca y es menor de 109,5° (valor por defecto de la geometría tetraédrica).
- En el caso del amoníaco (NH3), podemos ver cómo hay tres pares de electrones compartidos y un par no compartido. Asumiendo el valor de los ángulos de enlace de los dominios de cuatro electrones, afirmaríamos que los ángulos de enlace son de 109,5°. Sin embargo, el par no compartido repele los enlaces; por tanto, los acerca entre sí y crea el ángulo de 107° que se observa.
TRPECV en cinco y seis dominios electrónicos
Ahora, considera lo que sucedería si tienes cinco átomos enlazados a un átomo central. Y, si son seis, ¿qué geometría molecular adoptarían estas moléculas en 3D? En las representaciones 2D es fácil dibujar un enlace más y añadirlo simétricamente a un átomo. No obstante, en la realidad, las formas en 3D suelen desviarse de esta noción.Los dominios de cinco electrones crean una geometría bipiramidal trigonal (bipirámide triangular). El término bipiramidal significa, literalmente, dos pirámides. Se interpreta como dos pirámides, que tienen una base triangular, apiladas, una sobre otra. Los ángulos entre los enlaces en esta geometría son de 120º y 90º.Una molécula con seis dominios de electrones crea una geometría octaédrica. Se puede pensar en ella como una forma similar a un diamante con 8 lados (u octaédrica), aunque haya 6 átomos implicados y, por ende, 6 vértices en la forma. También se puede pensar en ella como dos pirámides apiladas, una encima de la otra, cuya base es un cuadrado. Los ángulos creados en esta forma son de 180° y 90°.
Utilizando las predicciones anteriores, puedes ver cómo la TRPECV nos permite sacar conclusiones sobre las formas tridimensionales de las moléculas, en función de sus dominios de electrones (pares compartidos o pares no compartidos).
Si tienes un kit de modelos moleculares, ¡intenta hacer estas moléculas y ver cómo obedecen a la TRPECV!
Ejemplos de geometría
Exploremos algunos ejemplos de cada una de las formas predichas por la TRPECV y veamos cómo pueden aplicarse a muchos contextos. Te explicaremos cada uno de los modelos teorizados, a partir de algunos ejemplos comunes.
En la figura 5 puedes ver dos formas: una representa la molécula de CO2 como ejemplo de geometría lineal, mientras que la otra muestra una molécula de BCl3 como ejemplo de geometría trigonal plana —como predice la TRPECV—. También, se muestran los ángulos. Estas formas se confirman experimentalmente, lo que sugiere que la TRPECV es relevante y sus predicciones se pueden extrapolar a la vida real.A continuación, se puedes ver cómo la geometría tetraédrica predicha por la TRPECV se ajusta a una molécula de metano, CH4. Aquí los ángulos de enlace forman el ángulo predicho de 109,5°.
Lo que ves a continuación es un ejemplo de la geometría bipiramidal trigonal del PF6. Definitivamente, aquí puedes observar la diferencia entre la representación 2D y el modelo 3D. Los cinco dominios de electrones se extienden tanto como sea posible, basándose en la repulsión de los pares de electrones, para crear la forma predicha.
Por último, observa un ejemplo de la geometría octaédrica predicha por la TRPECV, que representa una molécula de SF6. Puedes ver cómo los seis átomos de flúor se alejan del átomo central de azufre, lo que resulta en una forma octaédrica de diamante en 3D.
Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (TRPECV) - Puntos Claves
- TRPECV: Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia
- La TRPECV se basa en la repulsión de los dominios de electrones (pares de electrones) para predecir las formas 3D de las moléculas.
- La TRPECV se desarrolló gracias a la contribución de varios científicos; sin embargo, su consolidación como un área de la química teórica se le atribuye a Ronald Gillespie y Sir Ronald Nyholm, en 1957.
- Las formas que predice la TRPECV se basan en la cantidad de dominios de electrones presentes en cada molécula y se clasifican en:
- dos: lineal
- tres: trigonal plana
- cuatro: tetraédrica
- cinco: bipiramidal trigonal
- seis: octaédrica
- La TRPECV puede corroborarse experimentalmente, como se ve en muchos ejemplos de la vida real.
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