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la cual actúa puedan encastar y formar enlaces que no son permanentes. Incluso para
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Casabó, J. 2002. “Estructura atómica y enlace químico” Editorial Reverté. España
Brown, Lemay, Bursten.2004. “Química. La ...
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Geometria molecular

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  1. 1. En el presente trabajo definiré y desarrollaré acerca de los temas propuestos dentro de geometría molecular. Buscaré dar ejemplos claros acerca de las diferentes geometrías que una molécula puede presentar y sus efectos sobre diferentes reacciones o procesos en los que juega un rol muy importante. Pretendo también que esta carpeta constituya una base para lo que expondré en la clase que voy a dar sobre el tema. La geometría molecular es el ordenamiento tridimensional de los átomos de una molécula. La geometría de una molécula, determina muchas de las propiedades de esta, e incluso ciertos tipos de reacciones que pueden sufrir. Esta hace posible el proceso de visión, de detección de gustos y olores, tanto como otros procesos de la naturaleza. Existen varios tipos de geometrías dependiendo de diferentes factores estructurales como la longitud y tipos de enlace, tamaño de los átomos implicados, electrones apareados o desapareados, entre otras cosas. Para explicar las geometrías moleculares, tanto como sus características, como el porqué son de dicha forma y no de otra, se han creado varias teorías que comenzaron a partir de la estructura de Lewis y evolucionaron hasta involucrar la hibridación de orbitales atómicos. Específicamente se puede decir que son dos principales, una explica el porqué de las geometrías y la otra las características de estas. No son teorías que se autoexcluyen, sino que se complementan. 1
  2. 2. La estructura de Lewis nos permitía ver con certeza los enlaces entre los diferentes átomos de una molécula, pero no nos muestra que forma tiene la molécula. El estudio reciente, tanto como investigaciones de varios científicos en el pasado, revelaron las longitudes de enlace entre los átomos de una molécula y los ángulos de enlace. Este último es el ángulo que se forman entre los enlaces de una molécula, si son representados con una línea que une los centros de los dos átomos que participan del enlace. El ángulo queda determinado por estas líneas. Tanto el ángulo de enlace como la longitud de enlace permiten a los científicos encontrar cuál es la geometría de una molécula. Cada una de estas recibe un nombre. Cabe recordar que, al hablar de geometría molecular, hablamos de la molécula en su representación tridimensional y no solo en el plano bidimensional. El modelo de Repulsión de los pares electrónicos de la capa de valencia o RPECV, permite determinar la geometría molecular. Fue desarrollado por Sidgwick y Powell en 1940 y posteriormente fue ampliado por Gillespie de la universidad de Canadá. Se basa en que el mejor acomodo de electrones es en el que estos experimentan menor repulsión entre si. Es decir, si definimos dominio de electrones, como pares enlazantes y pares no enlazantes de electrones de un átomo, diremos que el mejor arreglo es aquel que minimiza las repulsiones entre dichos dominios de electrones. Esto se fundamenta en las simples interacciones electrostáticas: si se tiene un conjunto de cargas puntuales situadas a la misma distancia de un punto fijo la disposición espacial de minima energía es aquella que minimiza las repulsiones entre estas, determinado así la máxima separación física entre estas. Articulando la idea de electrón como una onda partícula, de la cual se desconoce su verdadera ubicación en el espacio, debido a el principio de Heissenberg, podemos decir que: el dominio de electrones pude definirse como la zona donde hay mayor probabilidad de encontrar electrones juntos, en el caso de el par de electrones, debido a que poseen diferentes espines se disminuye la repulsión entre estos. 2
  3. 3. Está demostrado que, la cantidad de dominios de electrones que rodean un átomo central de una molécula, determinara la forma de esta, es decir su geometría. Pero no debemos equivocarnos y pensar que la geometría molecular describe la posición de dichos dominios, ya que lo que realmente describe es la posición de los átomos en la molécula. La geometría de dominios de electrones es la que lo hace, y es en la que, a su vez, se basa este modelo de repulsión para predecir la geometría molecular. Podemos seguir una serie de pasos que nos permiten determinar la forma de las moléculas a partir de este modelo: 1) Diagrama de Lewis de la molécula. 2) Se debe contar el número de electrones alrededor del átomo central y establecer la geometría de estos, en base a la idea de menor repulsión entre estos. 3) Describir la geometría de la molécula teniendo en cuenta los pares enlazantes y no enlazantes de estas. 4) Los dobles y triples enlaces se consideran como si fuesen un enlace simple al dibujar la geometría de la molécula. Si bien, las geometrías moleculares coinciden con las figuras geométricas y sus ángulos ideales, en la realidad no es así. Esto ocurre debido a que por ejemplo, los dominios electrónicos pueden no ser iguales, puede haber distintas repulsiones interactuando que agranden o achiquen dicho ángulo. Otro claro ejemplo son los electrones no enlazantes, es decir aquellos que no son usados para formar enlace por el átomo en una molécula. Estos al no estar siendo atraídos por otro átomo, a parte del átomo que los tiene, ocupan un mayor volumen de espacio que aquellos pares de electrones enlazantes (electrones usados por el átomo para formar enlaces). Esto se debe a que, estos últimos, al estar siendo atraídos por dos átomos quedan confinados a una región mas chica del espacio, comparada con la que ocuparían si solo los atrajese el átomo al cual pertenecen. Por las razones expuestas en el párrafo anterior, un par de electrones no enlazante va a ejercer mayor repulsión sobre un dominio de electrones vecinos que un par de electrones enlazantes, es decir electrones que son usados para formar enlaces. Por ende, podemos decir también que, los dominios de electrones de enlaces múltiples ejercen igual repulsión que los enlaces simples. Esto se debe a que los dos o tres pares de electrones si bien comparten diferentes posiciones en el espacio poseen la misma dirección espacial, por lo que se comporta como una sola identidad, como un enlace simple. Pero en una molécula determinada, si comparamos la repulsión de un enlace simple y la que ejerce un enlace múltiple, veremos que la de este último será mayor por estar constituido de varios pares de electrones, lo que determina una mayor densidad electrónica en dicha zona donde se ubica. 3
  4. 4. Los diferentes tipos de enlace generan diversas geometrías moleculares. Cuando hay mucha diferencia de electronegativididad causa que los pares de electrones estén más cerca de un átomo que del otro. Esto puede generar que los ángulos de enlace no sean los esperados sino que sean mayores o menores. Los pares electrones de un átomo central que son atraídos más por un átomo periférico interaccionan menos que los pares que no son atraídos tan intensamente. El modelo RPECV, no contempla bien el efecto de la electronegatividad sobre los pares de electrones. Con las reglas y consideraciones antes mencionadas ya se pueden establecer que geometría tendrán las diferentes moléculas, ya sean octetos expandidos o no. Existen diversas tablas donde están representadas y clasificadas los diferentes tipos de geometrías moleculares que existen. Estas tablas constituyen una herramienta importante a la hora de determinar una para una molécula específica. En el apéndice incluí una de estas tablas a modo de ejemplo. A continuación mostraré ejemplos de moléculas y usare algunas para ilustrar la aplicación de las reglas anteriores. Una ultima consideración a tener en cuenta es que, en el caso de los octeto expandido, la menor repulsión entre los dominios de electrones se logra, por lo general, si lo electrones no enlazantes se ubican en posiciones ecuatoriales. Esto se debe a que en dichas posiciones están más alejados del resto de los dominios electrónicos que si estuvieran en posiciones axiales. Ejemplos: 4
  5. 5. 1) CH4 metano 2) H2O agua Posición axial Posición ecuatorial Posición axial 3) SF5 Pentafluoruro de azufre El modelo de RPECV se puede usar fácilmente para predecir la geometría de moléculas con más de un átomo central. Se deben seguir las mismas reglas que se aplican para moléculas con un solo átomo central, para cada átomo central de la molécula. Luego 5
  6. 6. simplemente se unen las representaciones geometriazas de cada átomo central, para obtener la geometría de la molécula. Ejemplos: 1) 1,2-etanodiol 2) ácido acetilsalicílico (C9O4H8) Esta teoría surge para explicar tanto las geometrías de las moléculas, como los enlaces que se forman entre los átomos. Es una mezcla de la teoría de Lewis, las estructuras de Lewis, los orbitales atómicos y las formas de hibridación y solapes de estos. Estas coinciden con lo que propone el modelo RPECV y las geometrías moleculares que este predice. En suma, la diferencia sería, que esta teoría explica los enlaces entre los átomos e una molécula y como determinan la geometría de esta, mientras que el modelo RPECV solo 6
  7. 7. nos ayuda a predecir la geometría molecular basándonos en disminuir las repulsiones entre los dominios de electrones. Un clara ejemplo de la importancia de la geometría molecular en los procesos químicos lo constituye la química de la visión. La luz que incide en la retina, la capa celular que recubre el interior del globo ocular, en esta están ubicadas diferentes células fotorreceptoras que se ven afectadas por dicha luz. Ocurre que los bastones y los conos, nombre de dichas células fotorreceptores, contienen en sus terminaciones rodopsinas que consiste en una proteína llamada opsina unida a un pigmento rojizo llamado retinal. Los cambios estructurales entorno a un doble enlace en este último componente de dichas células fotorreceptoras generan las reacciones químicas que hacen posible la visión. La luz es absorbida por la rodopsina, la energía de esta se emplea para romper el enlace doble del retinal y la opsina, permitiendo una rotación en la molécula entorno a dicho enlace doble. Esto produce que el retinal se separe de la opsina. Esto genera las reacciones que originan el impulso nervioso que permite la visión. Finalmente el retinal vuelve a su forma y posición original. En conclusión la ruptura de un doble enlace y un cambio de geometría molecular es lo que desencadenan el proceso químico que nos permite ver. H3C H H3C CH H 3 H Doble enlace que se rompe H H H CH3 Opsina H3C H NH Retinal Otro ejemplo claro donde la geometría molecular juega un papel importante es en la función de las enzimas. Cada una de estas presenta un sitio activo formado por aminoácidos que entran en contacto directo con el sustrato sobre el cual actúa la enzima. Dicho sitio tiene la forma adecuada para permitir que únicamente esa sustancia o grupo de sustancias sobre 7
  8. 8. la cual actúa puedan encastar y formar enlaces que no son permanentes. Incluso para explicar el funcionamiento de las enzimas se usa el modelo cerradura llave, este es una analogía: Se compara la enzima con la cerradura de una puerta y las o la sustancia sobre la cual actúa como la llave. La geometría molecular es clave para determinadas reacciones y para entender sus funcionamientos. Como es también esencial para explicar propiedades macroscópicas de diferentes líquidos, sólidos, gases. Comprender la geometría molecular no solo implica teorías asociadas a diversas ideas acerca de la materia y sus estructuras, sino también a la experimentación. La geometría en varios casos puede ser corroborada por experiencias en laboratorios de alta tecnología, donde experimentos con difracción de luz, entre otros, permiten revelar con cierta precisión la geometría de las moléculas. La geometría molecular como tema, permite la vinculación de diversos contenidos, como los son los orbitales, traslapes, hibridación, geometría, ángulos de enlace, entre otras cosas. Esto lo convierte en un tema ideal para clarificar y ejemplificar diversos conceptos. 8
  9. 9. Casabó, J. 2002. “Estructura atómica y enlace químico” Editorial Reverté. España Brown, Lemay, Bursten.2004. “Química. La Ciencia central”. Novena edición. Editorial Pearson. México. Masterton. Slowinski. Stanitsk.1994. “Química general superior”.Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill. México. Programa de computadora ACDLABS 12.0 Chemsketch. (Diagramador de imágenes de moléculas tridimensionales, utilizado para realizar cada imagen de moléculas de esta carpeta). 9

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