TRPECV / VSEPR: geometría molecular, ángulos e hibridación

Respuesta corta

La teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia, TRPECV o VSEPR, predice la disposición espacial de las regiones de densidad electrónica alrededor de un átomo central. Los pares enlazantes y los pares libres se separan tanto como pueden. La geometría electrónica cuenta todas las regiones; la geometría molecular solo describe la posición de los átomos.

El procedimiento es:

1. Dibujar una estructura de Lewis razonable.
2. Contar regiones electrónicas alrededor del átomo central.
3. Identificar la fórmula AXₘEₙ.
4. Obtener geometría electrónica, geometría molecular y ángulos aproximados.
5. Relacionar el número de regiones con una hibridación orientativa.

Para los ejemplos solicitados:

Especie	Fórmula VSEPR	Geometría electrónica	Geometría molecular	Ángulo ideal/aprox.	Hibridación orientativa
SO₃	AX₃	trigonal plana	trigonal plana	120°	sp²
NO₂⁺	AX₂	lineal	lineal	180°	sp
ClO₂⁻	AX₂E₂	tetraédrica	angular	menor que 109,5°	sp³

La hibridación es un modelo de enlace de valencia útil para organizar la geometría; no es una medición directa ni sustituye orbitales moleculares.

Regiones electrónicas: la regla que evita errores

Una región electrónica, también llamada dominio, es una dirección de densidad alrededor del átomo central. Cada enlace simple, doble o triple cuenta como una región. Cada par libre cuenta como una región. Un electrón desapareado también puede influir, aunque los ejemplos habituales se describen con pares.

La repulsión suele ordenarse así:

par libre–par libre > par libre–par enlazante > par enlazante–par enlazante

Por eso un par libre comprime los ángulos entre enlaces. Un enlace múltiple también contiene más densidad que uno simple y puede ejercer una repulsión algo mayor, aunque en el conteo VSEPR sigue ocupando una sola región.

La notación AXₘEₙ usa A para el átomo central, X para los átomos unidos y E para pares libres del centro. AX₃ significa tres enlaces y ningún par libre; AX₂E₂ significa dos enlaces y dos pares libres.

Tabla de geometrías y hibridación orientativa

Regiones	Geometría electrónica	Ángulo ideal	Hibridación de libro
2	lineal	180°	sp
3	trigonal plana	120°	sp²
4	tetraédrica	109,5°	sp³
5	bipiramidal trigonal	90°, 120° y 180°	sp³d
6	octaédrica	90° y 180°	sp³d²

Cuando existen pares libres, la geometría molecular se obtiene eliminando mentalmente las posiciones E. Por ejemplo, AX₂E tiene geometría electrónica trigonal plana, pero geometría molecular angular; AX₃E tiene geometría electrónica tetraédrica, pero forma piramidal trigonal.

En química moderna, las etiquetas sp³d y sp³d² deben usarse con cuidado para elementos del tercer período y superiores. Sirven como descripción geométrica introductoria, pero la estructura electrónica real puede requerir orbitales moleculares, enlaces multicéntricos y participación importante de los ligandos.

Ejemplo 1: SO₃

Conteo de electrones y Lewis

El azufre aporta 6 electrones de valencia y cada oxígeno aporta 6:

6 + 3(6) = 24 electrones de valencia

El átomo menos electronegativo, S, ocupa el centro. La representación de Lewis puede dibujarse con tres enlaces S=O y resonancia. En cursos introductorios, las formas resonantes equivalentes recuerdan que los tres enlaces S–O son equivalentes en la molécula real.

Alrededor de S hay tres enlaces y ningún par libre. Cada enlace múltiple cuenta como una región:

AX₃; número estérico = 3

Geometría y ángulos

Tres regiones se separan en un plano formando una geometría electrónica trigonal plana. Como no hay pares libres en S, la geometría molecular también es trigonal plana. Los tres ángulos O–S–O son aproximadamente 120°.

La hibridación orientativa es sp²: un orbital s y dos orbitales p generan tres direcciones coplanares. Queda un orbital p que puede participar en el sistema π deslocalizado. La palabra “hibridación” no significa que cada enlace S–O sea un enlace doble localizado permanente.

SO₃ gaseoso es no polar como molécula ideal porque sus tres dipolos se cancelan por simetría trigonal. Esto no debe confundirse con SO₃²⁻, el ion sulfito, que tiene un par libre en el azufre y una geometría piramidal trigonal.

Ejemplo 2: NO₂⁺

Conteo y estructura

Para el ion nitronio:

5 + 2(6) − 1 = 16 electrones de valencia

La carga positiva significa que se resta un electrón. La estructura más útil es:

O=N=O

El nitrógeno central no tiene pares libres y está unido a dos oxígenos mediante dos enlaces múltiples. El octeto del N queda completo y cada oxígeno también satisface el octeto.

El doble enlace de cada lado cuenta como una región:

AX₂; número estérico = 2

Geometría y hibridación

Dos regiones electrónicas se colocan en sentidos opuestos, por lo que la geometría electrónica y molecular son lineales. El ángulo O–N–O es 180°. La hibridación orientativa del N es sp: dos orbitales híbridos forman los enlaces σ y quedan dos orbitales p para los componentes π.

NO₂⁺ no debe confundirse con NO₂⁻. El ion nitrito tiene 18 electrones de valencia, un par libre en N y geometría angular. Cambiar la carga cambia la estructura de Lewis, el número estérico y el ángulo.

Ejemplo 3: ClO₂⁻

Conteo y Lewis

Para el ion clorito:

7 + 2(6) + 1 = 20 electrones de valencia

Se suma un electrón por la carga negativa. Cl es el átomo central. Una forma de Lewis con dos enlaces simples deja dos pares libres sobre Cl y cargas formales separadas. Las formas resonantes con un enlace Cl=O y uno Cl–O⁻ representan mejor la deslocalización:

⁻O–Cl=O ↔ O=Cl–O⁻

Las estructuras resonantes no significan que el ion salte entre dibujos; la molécula real es un híbrido. En todos los casos, para VSEPR el centro Cl tiene dos regiones de enlace y dos pares libres:

AX₂E₂; número estérico = 4

Geometría, ángulo e hibridación

Las cuatro regiones tienen una disposición electrónica tetraédrica. Al ocultar los dos pares libres, la geometría molecular es angular o en V. El ángulo O–Cl–O es menor que el tetraédrico ideal de 109,5° porque los pares libres repelen con mayor intensidad. VSEPR permite predecir la tendencia, pero no proporciona por sí sola un valor experimental exacto.

La hibridación orientativa es sp³. El cloro tiene dos direcciones enlazantes y dos direcciones ocupadas por pares libres. El ion es polar porque su forma angular evita la cancelación completa de los dipolos.

No se debe contar el enlace doble de una forma resonante como dos regiones. Un enlace múltiple sigue siendo una sola región VSEPR.

Comparar geometría electrónica y molecular

Considera cuatro casos con cuatro regiones electrónicas:

• CH₄, AX₄: tetraédrica y tetraédrica, 109,5°.
• NH₃, AX₃E: tetraédrica electrónica, piramidal trigonal, aproximadamente 107°.
• H₂O, AX₂E₂: tetraédrica electrónica, angular, aproximadamente 104,5°.
• ClO₂⁻, AX₂E₂: angular, con un ángulo que VSEPR sitúa por debajo de 109,5°.

Los valores de NH₃ y H₂O son menores que el ideal porque los pares libres comprimen los enlaces. El valor real de ClO₂⁻ depende además de resonancia, tamaño del átomo central, distribución de carga y medio.

Hibridación sp, sp², sp³, sp³d y sp³d²

La correspondencia de libro se obtiene del número estérico:

• sp: 2 regiones, lineal; ejemplo NO₂⁺.
• sp²: 3 regiones, trigonal plana; ejemplo SO₃.
• sp³: 4 regiones, tetraédrica electrónica; ejemplos NH₃, H₂O y ClO₂⁻.
• sp³d: 5 regiones, bipiramidal trigonal; ejemplos didácticos PF₅, SF₄ y ClF₃.
• sp³d²: 6 regiones, octaédrica; ejemplos SF₆ y [Co(NH₃)₆]³⁺.

En una bipirámide trigonal, los pares libres prefieren posiciones ecuatoriales porque allí tienen menos interacciones de 90°. Así, AX₄E suele ser balancín y AX₃E₂ suele ser forma de T. En una geometría octaédrica, AX₅E es piramidal cuadrada y AX₄E₂ es cuadrada plana.

Ángulos: ideales, comprimidos y experimentales

Los ángulos 180°, 120° y 109,5° son referencias geométricas ideales. Para predecir la desviación:

1. Cuenta pares libres.
2. Busca enlaces múltiples o ligandos muy voluminosos.
3. Compara posiciones equivalentes.
4. Indica que el valor exacto necesita datos estructurales o cálculo.

VSEPR predice formas y tendencias angulares, pero no determina por sí sola longitudes de enlace, energía, espectro, mecanismo ni estabilidad termodinámica.

Aplicación en alimentos y bioquímica

La geometría de especies como SO₃, NO₂⁺ y ClO₂⁻ ayuda a razonar polaridad, reactividad y unión a centros metálicos. En alimentos, la forma molecular influye en interacciones con agua, proteínas, membranas y sitios activos. La geometría VSEPR es un primer modelo; pH, solvatación, protonación y coordinación pueden modificar la especie que realmente existe.

Errores frecuentes

• Contar un enlace doble como dos regiones.
• Confundir geometría electrónica con molecular.
• Olvidar pares libres del átomo central.
• Usar 109,5° para toda especie sp³ sin considerar pares libres.
• Asignar sp² a ClO₂⁻ por ver dos enlaces; hay cuatro regiones.
• Confundir SO₃ con SO₃²⁻.
• Confundir NO₂⁺ con NO₂⁻.
• Elegir una sola estructura resonante como si fuera la molécula completa.
• Presentar sp³d como prueba de que los orbitales d participan literalmente en todos los enlaces.
• Inferir polaridad únicamente desde la presencia de enlaces polares, sin revisar la geometría.

Método general para resolver ejercicios

1. Calcula electrones de valencia, ajustando la carga.
2. Escribe una estructura de Lewis y revisa octetos o expansiones razonables.
3. Localiza el átomo central.
4. Cuenta enlaces como regiones individuales y suma pares libres.
5. Escribe AXₘEₙ y el número estérico.
6. Determina geometría electrónica y molecular.
7. Asigna ángulo ideal y explica las desviaciones.
8. Indica hibridación como modelo orientativo.
9. Revisa resonancia, polaridad y limitaciones.

Ejercicio propuesto

Determina para SO₃, NO₂⁺ y ClO₂⁻:

1. Electrones de valencia totales.
2. Fórmula AXₘEₙ.
3. Geometrías electrónica y molecular.
4. Ángulo esperado e hibridación orientativa.
5. Polaridad molecular.

Solución

• SO₃: 24 electrones, AX₃, trigonal plana/trigonal plana, 120°, sp² y no polar idealmente.
• NO₂⁺: 16 electrones, AX₂, lineal/lineal, 180°, sp y no polar por simetría lineal.
• ClO₂⁻: 20 electrones, AX₂E₂, tetraédrica/angular, menor que 109,5°, sp³ y polar.

Referencias

• OpenStax, 7.6 Molecular Structure and Polarity.
• OpenStax, 8.2 Hybrid Atomic Orbitals.
• Chemistry LibreTexts, VSEPR: Molecular Geometry.
• University of Bristol, VSEPR example for ClO₂⁻.

TRPECV es un modelo predictivo de geometría. Para valores exactos de ángulos y distribución electrónica se necesitan mediciones o métodos de estructura electrónica.