la teoria vsepr (valence shell electron-pair - E

LA
TEORIA
VSEPR
(VALENCE
SHELL
ELECTRON-PAIR
REPULSION THEORY).
La probabilità che l’interazione tra due molecole dia luogo ad una reazione chimica,può dipendere
fortemente dalla forma tridimensionale e dalle orientazioni relative delle molecole. Ne è una
esemplificazione particolarmente importante lo studio delle reazioni biochimiche. In esse le molecole
devono adattarsi precisamente ai siti specifici dei substrati biologici come accade nel caso degli enzimi o
degli ormoni con i recettori presenti sulla superficie cellulare. La caratterizzazione della forma delle
molecole è quindi una parte importante per lo studio del comportamento chimico delle molecole. La
struttura di una molecola è definita dall’arrangiamento tridimensionale dei suoi atomi costituenti. I parametri
importanti delle molecole sono la lunghezza di legame ,che misura la distanza tra i nuclei atomici in un
particolare legame, l’angolo di legame, definito come l’angolo tra gli assi di legami adiacenti ed infine
l’angolo diedro, che stabilisce le relazioni tra i piani definiti da tre atomi aventi un atomo in comune. Le
molecole comunque, non sono strutture rigide, ma i loro atomi vibrano intorno alle loro posizioni di
equilibrio e quindi le distanze e gli angoli di legame sono valori medi.
Per lo studio della struttura delle molecole i fisici ed i chimici hanno a disposizione metodi sperimentali che
possono fornire informazioni dettagliate sulla coordinazione dei vari atomi che costituiscono le molecole. In
particolare le tecniche di diffrazione di raggi X e di neutroni permettono di misurare con estrema precisione
la distanza fra i vari atomi e di determinare la simmetria delle strutture che essi formano. La geometria
molecolare di una molecola è governata da fattori energetici, essa assume la forma che presenta la più bassa
energia potenziale. La ricerca della struttura a più bassa energia può essere effettuata mediante i modelli
classici della teoria dei legami, considerando i numerosi possibili arrangiamenti di angoli di legame e poi
identificando quello che corrisponde alla più bassa energia potenziale della molecola.
La teoria di Lewis è un semplice modello che permette di spiegare e predire le combinazioni di atomi che
formano molecole stabili. Come descritto nella teoria di Lewis ogni atomo, in base al numero di elettroni
esterni di valenza, tende a cedere, acquistare o mettere in comune gli elettroni necessari al completamento
del guscio elettronico esterno, per raggiungere in questo modo la configurazione elettronica del gas nobile
più vicino (regola dell’ottetto). Benché le formule di Lewis non diano alcuna indicazione sulla geometria
molecolare ma solo su come gli atomi siano connessi fra di loro da legami, queste rappresentato il primo
passaggio nella previsione della forma delle molecole. E' possibile assegnare una geometria molecolare ad
una molecola di cui è nota la
formula di Lewis partendo dal concetto che esiste una relazione tra la sua geometria molecolare e il numero
di elettroni di valenza degli atomi coinvolti nei legami. Nel 1957 i chimici Ronald J. Gillespie and Ronald
Nyholm svilupparono un modello, proposto inizialmente da Sidgwick e Powell nel 1940, in grado di
prevedere la geometria tridimensionale delle molecole a partire dalla loro struttura di Lewis. Esso fa
riferimento alle repulsioni delle coppie di elettroni del guscio di valenza ed è indicato con l’acronimo
VSEPR (Valence Shell Electron-Pair Repulsion Theory). La teoria VSEPR fornisce una procedura per
predire la geometria molecolare mediante la minimizzazione dell’energia potenziale dovuta alla repulsione
tra coppie di elettroni. E' un modello concettualmente molto semplice e permette di trarre conclusioni
qualitativamente corrette riguardo la geometria senza spiegare i legami chimici all'interno della molecola.
La principale assunzione del modello è che le coppie di elettroni di valenza nelle molecole occupano certe
regioni di spazio dette domini e che questi domini tenderanno a respingersi l’un l’altro elettrostaticamente.
Questi domini includono sia coppie leganti, che sono covalentemente condivise con altri atomi, che coppie
non leganti (lone pairs), che sono localizzate sul atomo e non
sono coinvolte in legami atomici. La teoria prevede che i doppietti solitari tendano ad occupare un volume
maggiore rispetto ai doppietti elettronici condivisi ed esercitino pertanto una forza repulsiva più intensa.
Inoltre nella teoria VSEPR i legami doppi e tripli vengono considerati alla stregua di legami semplici e la
geometria di una molecola dipende unicamente dal numero di legami (indifferentemente semplici, doppi o
tripli) e di coppie solitarie che presenta l’atomo centrale.
L’atomo di zolfo nel cloruro di tionile (SOCl2), per esempio, ha quattro domini intorno ad esso: due domini
di singolo legame S-Cl, un dominio con una coppia solitaria localizzata sull’atomo di zolfo ed uno di doppio
legame S=O
Il doppio legame S=O è contato come un singolo legame perché ognuno dei quattro elettroni nel doppio
legame è forzato a essere localizzato nella regione di spazio tra i nuclei di O e S. In generale, domini di
legami multipli prenderanno più spazio intorno all’atomo centrale rispetto a quelli di un legame singolo
perché più elettroni sono forzati nella regione di spazio tra i due atomi in tali domini. Analogamente, un
dominio di una coppia solitaria, che è localizzato su un particolare atomo, occuperà più spazio intorno
all’atomo di quello di un dominio di singolo legame, in cui gli elettroni devono essere condivisi con un
secondo atomo. Per legami tra atomi di differente elettronegatività, gli elettroni in questi domini saranno
localizzati più vicini all’atomo più elettronegativo. Differenti tipi di domini di coppie di elettroni
competeranno in maniera diversa per lo spazio intorno all’atomo centrale nella molecola.
L’arrangiamento che minimizza la repulsione dipende dal numero di coppie elettroniche.
La figura riportata mostra la configurazione di minima energia per
molecole con coppie di elettroni da 2 a 6 sull’atomo centrale.
Per trovare quale geometria applicare a una molecola, si calcola il valore del numero sterico SN, che si ottiene
sommando il numero di atomi legati all'atomo centrale e il numero di coppie di elettroni liberi presenti sull'atomo
centrale.
SN = (numero di atomi legati all’atomo centrale) + (numero di coppie solitarie)
Ogni molecola potrà essere rappresentata con la formula generica AXmEn che prende il nome di metodo AXE.
Il metodo AXE di conteggio degli elettroni è perciò comunemente usato per l'applicazione della teoria VSEPR.
La sigla AXE rappresenta con la lettera A l'atomo centrale e ha sempre come valore sottinteso 1.
La X rappresenta quanti legami sigma si formano tra l'atomo centrale e gli atomi ad esso legati. I legami
covalenti multipli (doppi, tripli, ecc) contano come un X. Infine la E rappresenta il numero di coppie solitarie di
elettroni (lone pair) presenti nel guscio di valenza dell'atomo centrale. La somma di X ed E, definita
come numero sterico, è associata anche al numero totale di orbitali ibridati considerati dalla teoria del legame di
valenza.
Eleonora
Lucantonio

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