Numero sterico e geometria molecolare: dalla formula alla forma

Una volta scritta la struttura di Lewis di una molecola, la sua forma nello spazio non è arbitraria: la decide un solo numero, il numero sterico dell’atomo centrale. Contando quante coppie elettroniche — di legame e solitarie — lo circondano, la teoria VSEPR predice angoli e geometria senza calcoli complicati. È lo strumento più rapido per passare dalla formula al modello tridimensionale.

Vediamo come si calcola il numero sterico, come si traduce nella notazione AX_nE_m, quali geometrie ne derivano e perché le coppie solitarie deformano gli angoli previsti.

Che cos’è il numero sterico

Il numero sterico (detto anche numero di coordinazione elettronico) è la somma dei legami σ che partono dall’atomo centrale e delle coppie solitarie presenti su di esso. Un punto cruciale, spesso frainteso: i legami multipli contano una sola volta. Un doppio legame è fatto da un legame σ e da un legame π, ma ai fini della geometria conta come un’unica «direzione», perché il legame π sta nello stesso asse del σ. Quindi nel conteggio entra solo lo scheletro σ.

numero sterico = (legami σ intorno all'atomo centrale) + (coppie solitarie)

Il numero sterico fissa la disposizione delle regioni di densità elettronica (la geometria elettronica). La forma effettiva della molecola — la geometria molecolare — tiene conto invece solo delle posizioni occupate da atomi: dove c’è una coppia solitaria, lo spazio resta «vuoto» di atomi pur influenzando gli angoli.

La notazione AX_nE_m

Per descrivere in modo compatto la situazione si usa la notazione di Gillespie: A è l’atomo centrale, X i gruppi legati (in numero n), E le coppie solitarie (in numero m). Il numero sterico è semplicemente n + m. Così il metano è AX₄ (numero sterico 4, nessuna coppia solitaria), l’ammoniaca è AX₃E (4, una coppia solitaria), l’acqua è AX₂E₂ (4, due coppie solitarie).

notazione AX_nE_m:  A = atomo centrale ·  X = atomi legati (n) ·  E = coppie solitarie (m)

Dalle coppie elettroniche alla geometria

Il principio della teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) è che le coppie elettroniche, cariche negativamente, si respingono e si dispongono il più lontano possibile. A ogni numero sterico corrisponde quindi una geometria elettronica ben precisa: 2 → lineare, 3 → trigonale planare, 4 → tetraedrica, 5 → bipiramidale trigonale, 6 → ottaedrica.

Tabella delle geometrie

Questa tabella collega numero sterico, geometria elettronica, esempi e angoli ideali di legame:

La bipiramide trigonale è l’unica che ha due tipi di posizione: tre equatoriali (a 120° tra loro) e due assiali (a 90° rispetto al piano equatoriale). Questa distinzione conta quando compaiono coppie solitarie, che preferiscono sempre le posizioni equatoriali, più spaziose.

Perché le coppie solitarie deformano gli angoli

Le coppie solitarie occupano più spazio delle coppie di legame, perché sono trattenute da un solo nucleo invece che condivise tra due: la loro nuvola elettronica è più «larga» e schiaccia gli angoli tra i legami. L’ordine di repulsione è coppia solitaria–coppia solitaria > solitaria–legame > legame–legame. Per questo, pur avendo tutte numero sterico 4 (geometria elettronica tetraedrica), metano, ammoniaca e acqua hanno angoli via via minori: 109,5° nel metano, circa 107° nell’ammoniaca (una coppia solitaria), circa 104,5° nell’acqua (due coppie solitarie).

Come procedere in pratica

Il metodo è sempre lo stesso. Si scrive la struttura di Lewis, si individua l’atomo centrale, si contano i legami σ (un legame multiplo vale uno) e le coppie solitarie su quell’atomo: la somma è il numero sterico, che dà la geometria elettronica. Si guardano poi le sole posizioni occupate da atomi per ricavare la geometria molecolare, correggendo gli angoli verso il basso in presenza di coppie solitarie. Con questo schema si predice la forma di quasi tutte le molecole dei gruppi principali, ed è il punto di partenza per ragionare poi su polarità, reattività e proprietà fisiche.

Domande frequenti

Che cos’è il numero sterico?

È la somma dei legami σ e delle coppie solitarie attorno all’atomo centrale. Determina la geometria elettronica secondo la teoria VSEPR. Nel conteggio i legami multipli valgono come uno solo, perché ai fini della forma contano le «direzioni» dello scheletro σ, non i legami π.

Come si calcola il numero sterico di una molecola?

Si scrive la struttura di Lewis, si individua l’atomo centrale e si contano i gruppi a esso legati (ciascun legame, anche doppio o triplo, conta uno) più le coppie solitarie presenti sull’atomo. La somma è il numero sterico. Per l’acqua, ad esempio, due legami O–H più due coppie solitarie danno numero sterico 4.

Qual è la differenza tra geometria elettronica e geometria molecolare?

La geometria elettronica descrive la disposizione di tutte le regioni elettroniche (legami e coppie solitarie) ed è fissata dal numero sterico. La geometria molecolare descrive solo le posizioni degli atomi: dove c’è una coppia solitaria lo spazio resta privo di atomi. L’acqua ha geometria elettronica tetraedrica ma geometria molecolare angolare.

Perché le coppie solitarie riducono gli angoli di legame?

Perché una coppia solitaria è trattenuta da un solo nucleo, quindi la sua nuvola elettronica è più diffusa e respinge più intensamente le coppie di legame vicine. Questo comprime gli angoli: dal tetraedrico ideale di 109,5° si scende a circa 107° nell’ammoniaca e 104,5° nell’acqua.

A che cosa serve la notazione AX_nE_m?

È un modo compatto per classificare una molecola: A è l’atomo centrale, X i gruppi legati (n) ed E le coppie solitarie (m). Conoscendo n e m si ricava subito il numero sterico (n + m) e quindi geometria elettronica e molecolare. È lo strumento standard per tabulare le forme molecolari.