La geometria molecolare è un termine che descrive la forma tridimensionale di una molecola, dato il numero di coppie solitarie e atomi legati che circondano un atomo centrale. Eventuali coppie solitarie – coppie di elettroni non legate – vengono utilizzate per determinare la geometria della coppia di elettroni e devono essere considerate nella forma della molecola a causa della loro azione repulsiva sulle coppie di elettroni legate. Questa repulsione tra gli elettroni è ciò che influenza gli angoli tra gli atomi legati e le coppie solitarie che circondano l’atomo centrale. Questi angoli, piuttosto che il numero di atomi attaccati all’atomo centrale, definiscono la geometria molecolare delle molecole legate in modo covalente. I grafici che confrontano la geometria della coppia di elettroni e la geometria molecolare sono comunemente usati per mostrare gli effetti delle coppie solitarie sulla forma della molecola, poiché le molecole prive di coppie solitarie hanno la stessa geometria molecolare e della coppia di elettroni.
Quando si prevede la forma di una molecola viene utilizzata una semplice teoria del comportamento degli elettroni. La teoria della Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) afferma che le coppie legate e solitarie di elettroni di valenza si posizioneranno il più lontano possibile l’una dall’altra. Utilizzando questa teoria, la forma geometrica di semplici composti molecolari può essere determinata con precisione. Altri metodi, come la cristallografia a raggi X, sono necessari per descrivere la forma di molecole organiche complesse, compreso il materiale genetico e le proteine.
La molecola più semplice ha un atomo centrale con due atomi aggiuntivi legati ad esso. Secondo la teoria VSEPR, i due atomi legati si posizioneranno il più lontano possibile l’uno dall’altro, ottenendo una forma molecolare lineare. Gli angoli tra i legami sono di 180 gradi. Le molecole legate covalentemente con tre atomi che circondano un atomo centrale e nessuna coppia solitaria hanno una forma planare trigonale. Questa molecola ha angoli di 120 gradi tra i tre atomi attaccati e giace piatta su un unico piano.
Per posizionare ogni atomo legato il più lontano possibile, una molecola con quattro atomi che circondano un atomo centrale e nessuna coppia solitaria ha una forma tetraedrica. Ogni angolo di legame è di 109.5 gradi, formando un tetraedro con l’atomo centrale all’interno. Allo stesso modo, con ogni atomo aggiuntivo legato all’atomo centrale, la forma cambia mentre gli atomi legati si allontanano l’uno dall’altro. Con la presenza di coppie solitarie, la geometria molecolare dell’atomo cambia, poiché anche la coppia solitaria esercita repulsione. Una molecola con tre atomi e una coppia solitaria che circonda un atomo centrale avrà una forma piramidale trigonale, con l’atomo centrale in cima alla piramide e i tre atomi attaccati spinti dalla coppia solitaria in una posizione al di sotto dell’atomo centrale.