Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (TRPECV)

¿Quién propuso la TRPECV?

La TRPECV no fue propuesta por un solo investigador; más bien es una idea a la que contribuyeron muchos científicos de renombre. La propusieron por primera vez Sidgwick y Powell, en 1940; más tarde, Ronald Gillespie y Sir Ronald Nyholm la convirtieron en un área completa de la química teórica, en 1957.

A continuación, la teoría se puso a prueba mediante muchos métodos diferentes y se confirmó. Realmente demostró cómo una teoría matemática puede explicar la forma de las moléculas; lo que, a su vez, da razón del comportamiento y las interacciones de los átomos dentro de las moléculas y los compuestos.

¿Qué es la TRPECV o VESPR (RPECV)?

El acrónimo de la TRPECV significa Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia. En inglés es VSEPR, que proviene de Valence Shell Electron Pair Repulsion.

Por tanto:

• La TRPECV nos permite entender por qué ciertas moléculas tienen determinadas formas tridimensionales (3D).
• También puede ayudar a deducir la forma 3D de las moléculas, a partir de representaciones bidimensionales (2D).

La TRPECV se basa en la premisa de que la geometría que adoptará una molécula es aquella en la que los grupos de electrones tienen la máxima separación posible. Así se trate de pares solitarios de electrones, enlaces simples, enlaces múltiples o electrones no apareados, se repelen entre sí.

A continuación, repasemos el significado de repulsión.

¿Qué es la repulsión?

La palabra repulsión proviene del latín repulsĭo , que hace referencia al acto de repeler o repulsar (despreciar o rechazar) algo.

Los electrones son partículas con carga negativa, por lo que la TRPECV se basa en el supuesto de que los dominios de electrones —ya sean un par compartido o un par solitario— van a tender a repelerse. Esto aumenta la distancia entre ellos, tanto como sea posible.

Ahora te estarás preguntando ¿qué es un dominio de electrones?

Dominio de electrones

El número de dominios de electrones se utiliza en la teoría VSEPR para determinar la geometría de una molécula.

En química, los grupos de electrones se consideran dominios de electrones.

De este modo, el número de dominios de una molécula será igual al número de grupos de electrones de valencia —sea cual sea su condición (enlazados o solitarios)— que se encuentren en la parte más externa de la molécula.

Supuestos de la TRPECV

Las principales suposiciones que debemos tener en cuenta son las diferencias en los enlaces, y los dominios de electrones:

• En primer lugar, la geometría de las moléculas está dada por pares de electrones que que se encuentran ubicados alrededor de un elemento central. Los pares de electrones tienden a distribuirse, estableciendo entre ellos la mayor distancia posible, de modo que las fuerzas de repulsión entre estos dominios sean mínimas.
• En segundo lugar, los enlaces dobles y triples ocupan un espacio mayor, ya que más electrones significa una densidad electrónica ocupando un espacio más grande. De este modo, los enlaces dobles y triples se comportan de una manera diferente a los enlaces simples.
• En tercer lugar, tenemos que considerar que un par de electrones no compartidos tendrá una mayor repulsión que un par de electrones compartidos. Por esto, el valor de los ángulos será distinto y, en consecuencia, su geometría será diferente.

Las estructuras de Lewis y la TRPECV

Los diagramas o estructuras de Lewis destacan la presencia de electrones compartidos y pares no compartidos de electrones en un átomo o una molécula. La distinción de estas especies con respecto a un átomo en concreto permite crear formas basadas en TRPECV. En una estructura de Lewis, un par de electrones puede representarse mediante dos puntos (sin son solitarios o no compartidos) o una línea (si son compartidos —o sea, están enlazados—).

A continuación, puedes ver un ejemplo de cómo la estructura de Lewis cambia cuando aparece un enlace:

Fig. 1: Las estructuras de Lewis hacen la distinción entre el par compartido y el par de electrones solitarios.

Piensa en la forma 3D que adoptará la molécula. Como se trata de una molécula diatómica, podemos suponer que la forma más probable que adoptará será una geometría lineal. ¿Pero qué pasa con las moléculas más enrevesadas? En la siguiente sección, exploraremos cómo la TRPECV predice formas mucho más complejas.

La TRPECV en dos y tres dominios electrónicos

En el ejemplo anterior de la molécula diatómica F₂, pudimos ver que hay un enlace. Los pares no compartidos individuales quieren extenderse al máximo para crear una geometría lineal, por lo que la forma molecular tiene un ángulo de 180°; esto forma una geometría lineal.

Si una molécula tiene tres átomos, ¿Cuál sería la forma que adopta? Asumimos que con tres átomos alrededor de un átomo central, los enlaces se extenderían al máximo; esto daría una geometría trigonal plana, con ángulos entre los átomos de 120°.

El siguiente diagrama muestra las geometrías moleculares de las moléculas con dos o tres átomos unidos a un átomo central:

Fig. 2: Representación gráfica de las geometrías moleculares lineal y trigonal plana, según la teoría VSEPR.

TRPECV en cuatro dominios electrónicos

¿Cómo se configura la forma 3D de una molécula con cuatro átomos alrededor de uno central? En una representación 2D, una molécula con cuatro dominios de electrones se representaría con ángulos rectos (90°). Pero en el espacio 3D, ¿es esa la disposición más adecuada de los pares de electrones para tomar la mayor distancia posible?, ¿un ángulo de 90º permitiría la máxima distancia entre los átomos enlazados debido a la repulsión?

Aquí es donde hay que pensar más allá del plano 2D. Una molécula con cuatro dominios de electrones adopta una geometría tetraédrica. Los ángulos de enlace son de 109,5°, ya que este maximiza el espacio. Puedes pensar en la forma que crean los cuatro dominios de electrones como en una forma piramidal. La figura siguiente representa una geometría molecular tetraédrica, resultado de la repulsión de los pares de electrones.

Fig. 3: Puedes ver cómo una molécula con cuatro dominios de electrones distribuye esos dominios separándolos al máximo en un espacio 3D, creando una geometría molecular tetraédrica con ángulos de enlace de 109,5°.

TRPECV en cinco y seis dominios electrónicos

Ahora, considera lo que sucedería si tienes cinco átomos enlazados a un átomo central. Y, si son seis, ¿qué geometría molecular adoptarían estas moléculas en 3D? En las representaciones 2D es fácil dibujar un enlace más y añadirlo simétricamente a un átomo. No obstante, en la realidad, las formas en 3D suelen desviarse de esta noción.Los dominios de cinco electrones crean una geometría bipiramidal trigonal (bipirámide triangular). El término bipiramidal significa, literalmente, dos pirámides. Se interpreta como dos pirámides, que tienen una base triangular, apiladas, una sobre otra. Los ángulos entre los enlaces en esta geometría son de 120º y 90º.Una molécula con seis dominios de electrones crea una geometría octaédrica. Se puede pensar en ella como una forma similar a un diamante con 8 lados (u octaédrica), aunque haya 6 átomos implicados y, por ende, 6 vértices en la forma. También se puede pensar en ella como dos pirámides apiladas, una encima de la otra, cuya base es un cuadrado. Los ángulos creados en esta forma son de 180° y 90°.

Utilizando las predicciones anteriores, puedes ver cómo la TRPECV nos permite sacar conclusiones sobre las formas tridimensionales de las moléculas, en función de sus dominios de electrones (pares compartidos o pares no compartidos).

Ejemplos de geometría molecular

Exploremos algunos ejemplos de cada una de las formas predichas por la TRPECV y veamos cómo pueden aplicarse a muchos contextos. Te explicaremos cada uno de los modelos teorizados, a partir de algunos ejemplos comunes.

Fig. 5: Geometría lineal del dióxido de carbono y geometría trigonal plana del tricloruro de boro.

En la figura 5 puedes ver dos formas: una representa la molécula de CO₂ como ejemplo de geometría lineal, mientras que la otra muestra una molécula de BCl₃ como ejemplo de geometría trigonal plana —como predice la TRPECV—. También, se muestran los ángulos. Estas formas se confirman experimentalmente, lo que sugiere que la TRPECV es relevante y sus predicciones se pueden extrapolar a la vida real.

Lo que ves a continuación es un ejemplo de la geometría bipiramidal trigonal del PF₆. Definitivamente, aquí puedes observar la diferencia entre la representación 2D y el modelo 3D. Los cinco dominios de electrones se extienden tanto como sea posible, basándose en la repulsión de los pares de electrones, para crear la forma predicha.

Fig. 7. Geometría bipiramidal trigonal del pentafluoruro de fósforo.

Por último, observa un ejemplo de la geometría octaédrica predicha por la TRPECV, que representa una molécula de SF₆. Puedes ver cómo los seis átomos de flúor se alejan del átomo central de azufre, lo que resulta en una forma octaédrica de diamante en 3D.

Fig. 8: Geometría bipiramidal trigonal del pentafluoruro de fósforo.