Estructuras 3-D de Moléculas

Habilidades para Desarrollar

• Enumerar las estructuras tridimensionales comunes y sus características

¿Por qué importan las estructuras 3-D?

Las estructuras 3D son importantes porque pueden tener grandes efectos sobre las propiedades de las moléculas. Por ejemplo, el agua tiene un momento dipolar porque está doblada, no lineal. Si fuera lineal, no sería un gran solvente para los compuestos polares, y toda la vida sería completamente diferente. En general, las formas de las moléculas influirán en cómo reaccionan, porque determinan la polaridad (que puede ayudar a unir las moléculas para reaccionar) y encajar (si las partes reactivas pueden acercarse entre sí). Las formas de las moléculas también pueden tener otros efectos. Considera lo siguiente:

Fórmula	NaF	MGF 2	AlF 3	SiF 4	PF 5	SF 6
Punto de fusión (°C)	980	1400	1040	-77	-83	-55

Observe que hay un cambio abrupto en el punto de fusión entre AlF ₃ y SiF ₄. Se podría tomar esto como el cambio de un compuesto iónico a un compuesto covalente, pero la diferencia de electronegatividad entre Al y Si no es tan grande, y ambos son mucho menos electronegativos que F. Podemos explicar el cambio mejor usando la estructura molecular que el tipo de enlace. En los primeros 3, la estructura es típica de los compuestos iónicos. En lugar de moléculas claramente definidas, hay una red alterna de iones positivos y negativos. Cada catión está rodeado por 6 iones fluoruro, y cada ion fluoruro está rodeado por 6, 3 o 2 cationes (dependiendo de la fórmula). Todas las atracciones de iones iones deben aflojarse para fundir el sólido, lo que requiere alta temperatura. En SiF ₄, sin embargo, cada Si está rodeado por 4 “iones fluoruro” (debido a que el radio disminuye a través de la tabla periódica) lo que produce naturalmente un tetraedro, y así moléculas claramente separadas. Cuando las moléculas se empaquetan en el sólido, los átomos F tocan otros átomos F, no átomos de Si, y no son atraídos mucho en absoluto. Esto sólo es más cierto para PF ₅ y SF ₆, en los que los átomos F rodean aún más completamente al átomo central. Así, estos 3 compuestos son gases moleculares.

¿Cómo Medimos Estructuras 3-D?

Podemos medir estructuras 3D con varias técnicas diferentes, pero la cristalografía de rayos X es probablemente la más común. Para moléculas pequeñas, suele indicarte las posiciones exactas de todos los átomos siempre y cuando puedas cultivar un buen cristal. Estos datos incluyen las longitudes de unión y los ángulos de unión.

Descripción de estructuras 3-D

Necesitarás aprender los nombres de las geometrías comunes, que describen la forma de los enlaces alrededor de cada átomo. Se organizan en el siguiente diagrama en función de cuántos enlaces hace el átomo. Si la molécula solo tiene un átomo central, la geometría de la molécula es la geometría del átomo central. Si hay varios átomos que tienen enlaces a 2 o más átomos, podemos describir la geometría en cada uno.

Los nombres de diferentes formas moleculares. Tenga en cuenta que los enlaces que se muestran con cuñas están saliendo de la página, y los bonos que se muestran discontinuas están retrocediendo detrás de la página.

Predicción de Formas Moleculares (Ángulos de Enlace)

Las estructuras de Lewis son una excelente manera de predecir las formas de las moléculas. La idea básica es que mientras todos los electrones se repelen entre sí, los electrones con el mismo giro se repelen aún más entre sí. Los 2 electrones emparejados con espín opuesto que conforman un enlace pueden estar en la misma área general entre los núcleos de unión (aunque todavía intentarán evitarse entre sí dentro de esta área), pero los electrones con el mismo giro realmente tienen que darse espacio entre sí. El resultado es que los pares de electrones de unión y no unión ocupan cada uno su propia área y tratan de mantenerse lo más lejos posible entre sí. El área ocupada por un par solitario o un vínculo se denomina dominio. (Sólo nos preocupamos por los electrones de valencia. Podemos pensar en los electrones centrales teniendo su propia área más cercana al núcleo, aunque en realidad es un poco más complicado que esto). Por la misma razón, las diferentes partes de una molécula suelen extenderse también, por lo que las diferentes partes no se acercan demasiado y chocan con sus pares de electrones.

Se puede imaginar cada par de electrones como un gran globo blando, como en el diagrama. Los pares de unión son un poco más estrechos porque se sienten atraídos por 2 núcleos y tratan de permanecer entre ellos. Los pares solitarios son un poco más planos y ocupan más espacio, porque no hay otro núcleo alejándolos en una dirección específica. Así que podemos esperar que los ángulos de enlace sean un poco más pequeños de lo que podríamos pensar, porque los pares solitarios ocupan más espacio y empujan los lazos más juntos. Los enlaces múltiples también ocupan más espacio que los enlaces simples, pero siguen actuando como un solo dominio, porque están retenidos por los mismos dos átomos.

El modelo de dominio electrónico para predecir formas moleculares. Los dominios de enlace simple son azules, los dominios de enlace múltiple son verdes y los dominios de pares solitarios son rojos. Los dominios frente a otros dominios están sombreados.

Longitudes de unión

La longitud de los enlaces depende del tamaño de los átomos y la fuerza de los enlaces. En general, la longitud del enlace disminuye pasando de enlace simple a doble enlace a triple enlace.

Algunas longitudes de enlace promedio, en Å

Bond	r (Å)	Bond	r (Å)	Bond	r (Å)
C—C	1.54	C=C	1.34	C=C	1.20
C—N	1.47	C=N	1.38	C=N	1.16
N—N	1.45	N=N	1.25	N=N	1.10
C—O	1.43	C=O	1.20	C=O	1.13

Enlaces externos

• CrashCourse Química: Orbitales (10 min)
• Khan Academy: VSEPR I (8 min)
• Khan Academy: VSEPR III (13 min)
• Khan Academy: VSEPR IV (15 min)
• Khan Academy: VSEPR V (11 min)
• Khan Academy: VSEPR VI (13 min)

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)