Oltre alle loro proprietà uniche, molecole diverse hanno geometrie diverse. È possibile utilizzare la repulsione della coppia di elettroni del guscio di valenza insieme a numero sterico di una molecola per determinarne la struttura geometrica. Questo è uno dei motivi per cui capire qual è il numero sterico di una molecola e come calcolarlo è fondamentale per gli studenti di chimica e per chiunque voglia studiare la geometria molecolare.
Il processo per trovare il numero sterico è piuttosto semplice, purché sia possibile contare i legami molecolari e utilizzare la struttura di Lewis di una molecola per trovare coppie di elettroni solitari.
Che cos'è un numero sterico?
Il numero sterico di una molecola è il numero di altri atomi legati all'atomo centrale della molecola più il numero di coppie solitarie di elettroni ad esso collegati.
Questo è usato per determinare geometria molecolare perché gli elettroni in coppia si respingono, indipendentemente dal fatto che queste coppie stiano legando elettroni o coppie solitarie non legate a un particolare atomo. Poiché si posizionano in modo da ottenere la massima separazione, la misura relativamente semplice del numero sterico ti dice la forma complessiva della molecola.
Per una molecola con numero sterico 2 si avrà una struttura lineare e per un numero sterico 3 si avrà una struttura planare trigonale. Proseguendo nello stesso modo, un numero sterico di 4 porta alla struttura tetraedrica, 5 dà una struttura bipiramidale trigonale e un numero sterico di 6 porta ad una struttura ottaedrica.
Formula numero sterico
La formula del numero sterico può essere scritta direttamente in base alla definizione data sopra, come:
numero sterico = (numero di atomi legati all'atomo centrale) + (numero di coppie solitarie di elettroni sull'atomo centrale)
La sfida nel calcolo del numero sterico è quindi meno una del calcolo effettivo e più di guardando la struttura della molecola in termini di elettroni di legame e trovando i due numeri si bisogno. Questo è abbastanza facile da fare se si osserva la struttura di Lewis della molecola e si capisce come trovare una coppia di elettroni solitari.
Struttura di Lewis e coppie solitarie
La struttura di Lewis di una molecola è una rappresentazione degli elettroni nel guscio di valenza per gli atomi nella molecola, generalmente rappresentati da punti che circondano gli atomi, che sono indicati dai loro simboli standard (ad esempio O per ossigeno, C per carbonio, H per idrogeno e Cl per cloro).
Per prima cosa, disegna gli atomi e i loro legami secondo la formula molecolare e/o ciò che già conosci della molecola. Ad esempio, l'acqua (H2O) è rappresentato da un atomo di O centrale, con due atomi di H collegati da un singolo legame (singola linea retta) su entrambi i lati.
Inserisci gli elettroni rimanenti nel guscio di valenza (cioè quelli disponibili per il legame che attualmente non fanno parte di un legame). Per l'ossigeno, ci sono sei elettroni di valenza e due di questi sono coinvolti nei legami con gli atomi di idrogeno, lasciando quattro elettroni di valenza da riempire. Disegna due coppie di punti attorno al simbolo O per completare il diagramma.
Le coppie solitarie per l'ossigeno sono queste due coppie di elettroni non coinvolte nel legame molecolare. Naturalmente, altre situazioni portano a diversi tipi di strutture di Lewis e in alcuni casi dovrai pensare un po' di più.
Ad esempio, gli elettroni non formano coppie a meno che non ci siano "spazi" disponibili al di fuori di una coppia, ad es. nel carbonio ce ne sono quattro elettroni di valenza, ma con otto punti totali disponibili, gli elettroni non hanno bisogno di formare coppie per adattarsi al guscio e quindi non farlo.
Calcolo di un numero sterico
Usare la formula del numero sterico è facile una volta disegnata la struttura di Lewis per la molecola in questione. Guarda l'atomo centrale e conta ciascuno dei legami (anche se è un doppio o triplo legame) attaccato ad esso come uno ciascuno. Poi guarda i puntini che circondano l'atomo: ci sono coppie non coinvolte nel legame? In tal caso, aggiungi uno al totale per ogni esempio.
Per H2O, l'atomo di ossigeno centrale è legato a due atomi di idrogeno e attorno ad esso rimangono due coppie di elettroni. Questo può essere inserito nella formula del numero sterico per trovare il risultato:
\begin{allineato} \text{numero sterico} &= \text{(numero di atomi legati all'atomo centrale)} + \text{(numero di coppie solitarie di elettroni sull'atomo centrale)} \\ &= 2 + 2 \\ &= 4 \end{allineato}
E così l'acqua ha una struttura tetraedrica, sebbene parte di questa struttura sia composta dalle coppie solitarie di elettroni.