La geometría molecular o estructura molecular se refiere a la disposición tridimensional de los átomos que constituyen una molécula. Determina muchas de las propiedades de las moléculas, reactividad, polaridad, fase, color, magnetismo, actividad biológica, etc. Actualmente, el principal modelo es la teoría de repulsión de pares de electrones de valencia (TRPEV), empleada internacionalmente por su gran predictibilidad.
Determinación de la geometría molecular
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Las geometrías moleculares se determinan mejor cuando las muestras están próximas al cero absoluto porque a temperaturas más altas las moléculas presentarán un movimiento rotacional considerable. En el estado sólido la geometría molecular puede ser medida por difracción de rayos X. Las geometrías se pueden calcular por procedimientos mecánico cuánticos ab initio o por métodos semiempíricos de modelamiento molecular.
La posición de cada átomo se determina por la naturaleza de los enlaces químicos con los que se conecta a sus átomos vecinos. La geometría molecular puede describirse por las posiciones de estos átomos en el espacio, mencionando la longitud de enlace de dos átomos unidos, ángulo de enlace de tres átomos conectados y ángulo de torsión de tres enlaces consecutivos.
Movimiento atómico
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Dado que el movimiento de los átomos en una molécula está determinado por la mecánica cuántica, uno debe definir el «movimiento» de una manera cuántica.
Los movimientos cuánticos (externos) de traslación y rotación cambian fuertemente la geometría molecular. (En algún grado la rotación influye en la geometría por medio de la fuerza de Coriolis y la distorsión centrífuga, pero son despreciables en la presente discusión).
Un tercer tipo de movimiento es la vibración , un movimiento interno de los átomos en una molécula. Las vibraciones moleculares son armónicas (al menos en una primera aproximación), lo que significa que los átomos oscilan en torno a su posición de equilibrio, incluso a la temperatura del cero absoluto. En el cero absoluto todos los átomos están en su estado vibracional basal y muestran movimiento mecánico cuántico de punto cero, esto es, la función de onda de un modo vibracional simple no es un pico agudo, sino un exponencial de ancho finito. A temperaturas mayores, los modos vibracionales pueden ser excitados térmicamente (en un interpretación clásica, esto se expresa al enunciar que «las moléculas vibrarán más rápido»), pero siempre oscilan alrededor de una geometría reconocible para la molécula.
Para tener una comprensión más clara de la probabilidad de que la vibración de una molécula pueda ser térmicamente excitada, se inspecciona el factor de Boltzmann exp ( − Δ E k T ) {displaystyle exp left(-{frac {Delta E}{kT}}right)} 
Como se mencionó anteriormente, la rotación influye fuertemente sobre la geometría molecular. Pero, como movimiento mecánico cuántico, se excita a bajas temperaturas (comparada con la vibración). Desde un punto de vista clásico, puede decirse que más moléculas rotan más rápidamente a temperatura ambiente, esto es que tienen mayor velocidad angular y momentum angular. En lenguaje de mecánica cuántica: más «eigenstates» de alto momentum angular son poblados térmicamente al aumentar la temperatura. Las energías de excitación rotacionales típicas están en el orden de unos pocos cm-1.
Los resultados de muchos experimentos espectroscópicos están ensanchados porque involucran una media de varios estados rotacionales. Frecuentemente es difícil obtener las geometrías a partir de los espectros a altas temperaturas, porque el número de estados rotacionales rastreados en el experimento aumenta al incrementarse la temperatura. En consecuencia, muchas observaciones espectroscópicas solo se puede esperar que conduzcan a geometrías moleculares confiables a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Enlaces atómicos
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Por definición, los átomos en las moléculas suelen estar unidos unos a otros con enlaces covalentes, que pueden ser simples, dobles o triples, donde un «enlace» es un par de electrones compartidos entre átomos vecinos. Otro método de unión entre átomos se denomina enlace iónico en el que intervienen cationes positivos y aniones negativos, sin que se formen moléculas sino redes iónicas.
La geometría molecular puede ser especificada en términos de longitud de enlace, ángulo de enlace y ángulo torsional. La longitud de enlace está definida como la distancia media entre los centros de dos átomos enlazados en una molécula dada. Un ángulo de enlace es el ángulo formado por tres átomos enlazados consecutivamente. Para cuatro átomos unidos consecutivamente en una cadena línea, el ángulo torsional es el ángulo entre el plano formado por los tres primeros átomos y el plano formado por los tres últimos átomos.
Isómeros
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Los isómeros son tipos de moléculas que comparten la misma fórmula química, pero que tienen diferentes geometrías, resultando en propiedades muy distintas:
- Una sustancia «pura» está compuesta de solo un tipo de isómero de una molécula (todas tienen la misma estructura geométrica).
- Los isómeros estructurales tienen la misma fórmula química, pero diferente ordenamiento físico, frecuentemente formando geometrías moleculares alternas con propiedades muy diferentes. Los átomos no están enlazados (conectados) en el mismo orden.
- Los isómeros funcionales son una clase especial de isómeros estructurales, donde ciertos grupos de átomos exhiben un tipo especial de comportamiento, como es un éter o un alcohol.
- Los estereoisómeros pueden tener muchas propiedades físicoquímicas idénticas y, al mismo tiempo, actividad biológica muy diferente. Esto se debe a que poseen la quiralidad que es muy común en los sistemas vivientes. Una manifestación de esta quiralidad es su habilidad para hacer rotar la luz polarizada en direcciones diferentes.
- Protein folding, que concierne a la compleja geometría y diferentes isómeros que las proteínas pueden tener.
La geometría molecular se representa en una pirámide en la cual en la punta inicial hay una molécula de oxígeno con carga negativa, quedando en las otras dos puntas dos moléculas de hidrógeno con carga positiva, que son separadas por un ángulo de 104.5º; el enlace que une los hidrógenos con el oxígeno se llama enlace covalente, y también existe un enlace que une a otra pirámide idéntica a la anteriormente nombrada llamado enlace puente hidrógeno.
Tipos de estructura molecular
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† Disposición electrónica incluyendo los pares no enlazantes (mostrados en amarillo)‡ Geometría observada (excluyendo los pares no enlazantes)
Referencias
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- ↑5− and IOF52− anions». Journal of Fluorine Chemistry 101: 61-63. doi:10.1016/S0022-1139(99)00194-3.
Baran, E. (2000). «Mean amplitudes of vibration of the pentagonal pyramidal XeOFand IOFanions».: 61-63.
Bibliografía
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Enlaces externos
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Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Geometría molecular.
La geometría molecular es la disposición tridimensional de los átomos que conforman una molécula. Es muy importante conocer correctamente la geometría de una molécula, ya que está relacionada directamente con la mayoría de propiedades físicas y químicas, como por ejemplo, punto de ebullición, densidad, solubilidad, etc.
Si conocemos la estructura de Lewis de una molécula, podremos predecir su geometría utilizando la teoría de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (RPECV). Esta teoría se basa en el hecho que los electrones tienden a repelerse entre sí (por similitud de cargas). Por tal motivo, los orbitales que contienen a los electrones se orientan de tal forma que queden lo más alejados entre sí.
Es importante notar que la geometría de la molécula está referida siempre al átomo central, y que, para determinarla correctamente, debemos conocer el número de coordinación total de dicho átomo.
N° coordinación = N° átomos unidos + N° pares libres
Ejemplo 3.7. Analicemos la molécula de CO2.
Previamente hemos determinado su estructura de Lewis, la cual es la siguiente:
Determinemos el número de coordinación del carbono (átomo central): tiene dos átomos unidos y ningún par libre. Por tanto, su número de coordinación es 2, debido a los dos átomos de oxígeno unidos. Estos átomos querrán estar lo más alejado posible entre sí, y para ello, deberán oponerse entre sí 180°.
Por tanto, dado que los tres átomos pueden ser colocados a lo largo de una línea recta, decimos que la geometría de la molécula de CO2 es LINEAL. Observa la hibridación del carbono: es sp.
Observación
Cualquier molécula diatómica (formada sólo por dos átomos) será necesariamente lineal.
Ejemplo 3.8. Analicemos ahora la geometría del ión carbonato CO32-.
Tratándose de un ión molecular, podemos establecer también su geometría. Hemos determinado previamente su estructura de Lewis:
El carbono (átomo central) tiene número de coordinación 3, debido a que está unido a tres átomos de oxígeno y no tiene pares libres. Por tanto, estos tres átomos deben repelerse lo máximo posible entre ellos. Para que esto ocurra, debemos orientar los oxígenos hacia los vértices de un triángulo, ya que así estarán separados 120° entre ellos:
Por tanto, diremos que la geometría del ión carbonato es TRIANGULAR. Observa que la hibridación del carbono es sp2.
Ejemplo 3.9. Analicemos ahora la geometría del ión amonio NH4+.
La estructura de Lewis es la siguiente:
El número de coordinación del nitrógeno es 4. Por tanto, los cuatro átomos unidos querrán separarse lo máximo posible. Orientarse hacia los vértices de un cuadrado los separaría 90°, pero mejor resulta orientarse hacia los vértices de un tetraedro, ya que en este caso, los átomos de hidrógeno estarán separados entre ellos 109,5°.
En consecuencia, la geometría del ión amonio es TETRAÉDRICA. Observa que la hibridación del átomo de nitrógeno es sp3.
Pero, ¿y qué pasa con aquellos átomos centrales que sí poseen pares libres? En tales casos, debemos considerar a los pares libres para saber la orientación que tendrán los orbitales. Sin embargo, cuando determinamos la geometría, LOS PARES LIBRES NO SE DEBEN CONSIDERAR, ya que la geometría sólo está determinada por los átomos que conforman una molécula.
Ejemplo 3.10. Veamos los casos del agua (H2O) y del amoníaco (NH3).
Ambas moléculas tienen número de coordinación 4.
En el agua, tenemos dos átomos unidos y dos pares libres. Por tanto, los orbitales que contienen a los electrones correspondientes deben orientarse hacia los vértices de un tetraedro:
Sin embargo, al momento de determinar la geometría de la molécula, no debemos tomar en cuenta los pares libres. Por tanto, si los eliminamos, observaremos que el agua tiene una geometría ANGULAR (tipo búmeran), donde el ángulo entre H-O-H es 109,5°.
En el caso del NH3, el átomo central tiene tres átomos unidos y un par de electrones libre. (número de coordinación 4) Nuevamente, los orbitales deben orientarse hacia los vértices de un tetraedro:
Al momento de decidir la geometría, no debemos considerar el par libre. Por tanto, vemos que los tres átomos de hidrógeno están orientados hacia los vértices de un triángulo, pero con el nitrógeno destacando por encima: una especie de pirámide con base triangular. Esta geometría se llama PIRÁMIDE TRIGONAL.
El siguiente cuadro resume la geometría de las moléculas según el número de coordinación que presenten.
Figura 3.5. Geometría molecular según el número de coordinación.
El siguiente vídeo te mostrará la repulsión de pares de electrones usando globos. Podrás comprobar que los orbitales quieren estar lo más cómodos posibles, y por ello, se repelen lo máximo posible:
Ejercicio 3.7
Para las siguientes especies SCl2, PCl3, CCl4 y NO3-, determinar:
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Estructura de Lewis
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Número de coordinación del átomo central
-
Hibridación del átomo central
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Geometría molecular
