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La forma de la molécula

Contenido del artículo
El metano
El formaldehído
El acetileno
El amoníaco

Para interpretar a cabalidad este artículo es recomendable que lea primero Enlaces químicos en el que se establece que solo se puede hablar de moléculas como entidad independiente cuando se producen enlaces covalentes entre elementos no metálicos, si participa un metal en el enlace, este se hace iónico y la sustancia comúnmente adquiere la forma de un entramado tridimensional llamado cristal. Por ese motivo todo lo tratado en el presente artículo se refiere a no metales.

Una molécula es una entidad química que se mantiene unida por fuerzas de atracción entre sus partes constituyentes, por ejemplo, la molécula de metano (CH4) que convencionalmente se puede representar como:



Nos induce a pensar que la distribución espacial de los átomos es plana y que los átomos de hidrógeno están colocados a 90° unos de otros formando una cruz. ¿Es esto cierto?.

figura 1
Figura 1. Las regiones de carga negativa concentrada.
figura 2

Figura 2. Orden espacial de la molécula de metano.


Las moléculas en la realidad no siempre tienen los átomos distribuidos en un plano, en su lugar ellas forman figuras geométricas tridimensionales. Las posiciones relativas de los átomos en las moléculas resultan obligadas por la fuerza de repulsión entre los electrones de valencia que tienen cargas del mismo signo. Veamos:

El metano

Volvamos a la molécula del metano, en ella las zonas donde se encuentran los enlaces entre los átomos son regiones de elevada carga negativa debido a la presencia de los electrones de valencia compartidos. Debido a la repulsión entre las regiones, estas se colocarán en el espacio a la mayor distancia posible. Geométricamente el ángulo de 90° en un mismo plano (figura1), aunque lo aparenta, no establece la mayor distancia entre los enlaces, esta se logra cuando los átomos de hidrógeno se colocan según se muestra en la figura 2, en cuya disposición los enlaces están a la mayor distancia posible. Véase en forma de barras y bolas en la figura 3.

Esta disposición de los átomos adquiere una forma de tetraedro regular. Un tetraedro regular es un polígono con los cuatro lados formados por triángulos equiláteros idénticos y observe que hay un átomo en el vértice de cada triángulo (figura 4).
 
Ángulos iguales de 109.5° son lo que producen lo deseado, es decir la mayor separación entre los enlaces y por tanto la menor repulsión posible entre ellos, y con esto se maximiza la estabilidad de la molécula.

Esta disposición no es exclusiva del metano, cada vez que usted tenga cuatro pares de electrones alrededor de un átomo central en una molécula, la forma preferida será el tetraedro regular.

Molécula de metano
Figura 3. Molécula de metano usando un modelo de barras y bolas.
figura 4
Figura 4. Forma tetraédrica de la molécula de metano. Un átomo de hidrógeno en cada vértice.


El formaldehído


Pero no siempre hay cuatro pares de electrones alrededor de un átomo y de hecho la situación es distinta en muchos casos. Veamos el caso del formaldehído de fórmula CH2O. En el formaldehído la situación es distinta comparado con el metano, empecemos por construir el diagrama de la molécula plano y con los ángulos entre los los enlaces arbitrariamente a 90°.



Ahora nos toca determinar cual es la disposición geométrica de los enlaces para que estén a la mayor distancia posible. Pero la cosa ha cambiado en relación al metano, ahora hay un doble enlace C=O. De acuerdo a la teoría que hemos utilizado hasta ahora, llamada Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de Valencia, los enlaces múltiples se tratan como si fueran un grupo simple de electrones o un enlace simple, ya que estos enlaces múltiples ocupan, a groso modo, el mismo espacio que los simples, de modo que en este caso tenemos un átomo de carbono rodeado por tres grupos de electrones, dos grupos con átomos de hidrógeno y un grupo con el átomo de oxígeno. Al número de grupos de electrones que rodean el átomo se le llama número estérico (NE), el que ahora para el formaldehído es 3 y que para el caso anterior del metano era 4.

Pues bien, ¿cual es la disposición geométrica mas adecuada para el caso de 3 grupos de electrones? De simple geometría se sabe que la distancia mayor corresponde a la molécula plana con ángulos de 120° entre los enlaces, de manera que se puede predecir que la molécula de formaldehído debe tener los enlaces del átomo de oxígeno con los hidrógenos separados 120° rodeando el  átomo de carbono como se muestra en la figura 5 a continuación. La forma es triangular plana.

 Molécula de formaldehído

Figura 5. La molécula de formaldehído

El acetileno

Estudiemos ahora otro caso, el del acetileno C2H2. Este gas de olor desagradable y muy útil como combustible en las antorchas de soldadura y corte de metales tiene un triple enlace entre dos átomos de carbono, cada uno de los cuales esta además enlazado a un átomo de hidrógeno. Comencemos por el diagrama de la molécula mostrado a continuación en la figura 6 a la izquierda, utilizando los mismos preceptos que se usaron para el formaldehído, con los ángulos arbitrariamente a 90°.


Figura 6.

Figura 7.

¿Pero es la configuración de la izquierda donde los enlaces están mas lejanos?, evidentemente no, ellos están más separados si los enlaces se disponen a 180° como aparece  en la figura 7 a la derecha. Es decir una molécula lineal.

En ninguno de los compuestos mostrados hasta ahora el átomo central tiene electrones sobrantes pareados, de modo que veamos ahora uno de esos casos, el amoníaco NH3 un gas bastante común en casa disuelto en agua como agente de limpieza.

El amoníaco

Como siempre, empecemos por el diagrama de la molécula, pero ahora, primero como diagrama de puntos que luego se convierte a diagrama de lineas.



Figura 8.


Figura 9.


Primero a la izquierda en la figura 8 está el diagrama de puntos de la molécula de amoníaco, como el nitrógeno es un elemento del grupo VA de la tabla periódica tiene cinco electrones en la capa de valencia, dos pareados, que no se comparten, y tres sin parear. A la derecha, en la figura 9, se muestra el diagrama utilizando barras para los enlaces. Note que solo tres átomos de hidrógeno pueden acoplarse a los electrones sin parear del nitrógeno y quedan un par de electrones.

Este par de electrones establece una diferencia importante con respecto a las sustancias tratadas con antelación.

Los pares de electrones, que se constituyen como una zona de carga negativa concentrada cuentan como un número estérico, esto significa el átomo de nitrógeno en la molécula de amoníaco tiene como número estérico 4 igual que el átomo de carbono del metano visto arriba.

El hecho de que esta molécula tiene como número estérico 4 significa que se puede predecir una forma tetraédrica con los tres grupos de electrones separados a 109.5 grados. La diferencia ahora radica que el vértice superior del tetraedro no tiene un átomo de hidrógeno, en su lugar aparecen allí los electrones sin parear (figura 10).

 Molécula de amoníaco
Figura 10. Molécula de amoníaco.
Como lo que nos interesa es la forma de la molécula, es decir como se distribuyen los átomos en el espacio, no se consideran los electrones pareados del vértice superior y solo los átomos involucrados, es decir se tratan los electrones en pares de forma invisible. Teniendo esto último en cuenta la forma del polígono de la molécula del amoníaco baja sustancialmente de altura y resulta piramidal. Ya los cuatro triángulos no son idénticos como en el caso de tetraedro regular.

Ml
Figura 11. Molécula de amoníaco como bolas y barras.

La figura 11 muestra un esquema de barras y bolas para la molécula de amoníaco.

Las determinaciones experimentales muestran que los ángulos de la forma piramidal del amoníaco son ligeramente menores que 109. 5°, y esto es razonable, ya que el par de electrones ocupa un espacio ligeramente mayor que los electrones envueltos en el enlace. Una regla aproximada que puede usarse es que los pares de electrones comprimen el ángulo entre los enlaces unos 2° y con esto podemos predecir que el ángulo H-N-H es aproximadamente de 105°, lo que concuerda bastante bien con el determinado experimentalmente.

Como usted podrá comprender existen otros casos en la vida práctica, no obstante, lo tratado hasta aquí puede resultar suficiente para comprender la esencia del modo en que las moléculas toman su forma geométrica. La tabla 1 a continuación muestra un resumen de los casos vistos y de otros que resultan comunes. 

Tabla 1. Disposición geométrica de algunas moléculas 
NE = 4 cuatro grupos de electrones
NE = 3 tres grupos de electrones
NE = 2 dos grupos de electrones
tetrahedro
A
Hay cuatro grupos de electrones de enlace y no hay pares de electrones sobrantes. Forma de la molécula tetraedro regular. Ángulos entre los enlaces 109.5°. Ejemplo: el metano.
triangular
B
Hay tres grupos de electrones de enlace y no hay pares sobrantes. Forma de la molécula triangular plana. Ángulos entre los enlaces 120°. Ejemplo: el formaldeído
lineal
C
Hay dos grupos de electrones de enlace y no hay pares sobrantes. Forma de la molécula lineal. Ángulo entre los enlaces 180°. Ejemplo: el CO2
piramidal
D
Hay tres grupos de electrones de enlace y un par de electrones sobrantes. Forma de la molécula tetraedro piramidal. Los ángulos entre los enlaces se comprimen a ~107°.  Ejemplo: el amoníaco
doblado 118
E
Hay dos grupos de electrones de enlace y un par de electrones sobrantes. Forma de la molécula es acodada. El ángulo entre los enlaces se comprime a ~118° debido al par sobrante. Ejemplo: el ozono
doblado 105
F
Hay dos grupos de electrones de enlace y dos pares de electrones sobrantes. La forma de la molécula es acodada. El ángulo entre los enlaces se comprime a ~105° debido a los pares sobrantes. Ejemplo: el agua.



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