En química , la polaridad es una separación de la carga eléctrica que conduce a una molécula o sus grupos químicos que tienen un momento dipolo eléctrico , con un extremo cargado negativamente y un extremo cargado positivamente.
Las moléculas polares deben contener enlaces polares debido a una diferencia en la electronegatividad entre los átomos unidos. Una molécula polar con dos o más enlaces polares debe tener una geometría que sea asimétrica en al menos una dirección, de modo que los dipolos de enlace no se cancelen entre sí.
Las moléculas polares interactúan a través de las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo y los enlaces de hidrógeno . La polaridad subyace en una serie de propiedades físicas que incluyen la tensión superficial , la solubilidad y los puntos de fusión y ebullición.
La polaridad de los enlaces [ editar ]
No todos los átomos atraen electrones con la misma fuerza. La cantidad de "tirón" que un átomo ejerce sobre sus electrones se llama electronegatividad . Los átomos con altas electronegatividades, como el flúor , el oxígeno y el nitrógeno , ejercen una mayor presión sobre los electrones que los átomos con menos electronegatividades como los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos . En un enlace, esto conduce a una distribución desigual de los electrones entre los átomos, ya que los electrones se acercarán más al átomo con la electronegatividad más alta.
Debido a que los electrones tienen una carga negativa, la distribución desigual de los electrones dentro de un enlace conduce a la formación de un dipolo eléctrico : una separación de carga eléctrica positiva y negativa. Debido a que la cantidad de carga separada en tales dipolos suele ser más pequeña que una carga fundamental , se denominan cargas parciales , denotadas como δ + ( delta más) y δ− (delta menos). Estos símbolos fueron introducidos por Christopher Kelk Ingold y Edith Hilda Ingold en 1926. [1] [2]El momento dipolar de enlace se calcula multiplicando la cantidad de carga separada y la distancia entre las cargas.
Estos dipolos dentro de las moléculas pueden interactuar con dipolos en otras moléculas, creando fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo .
Clasificación [ editar ]
Los enlaces pueden caer entre uno de dos extremos: ser completamente no polar o completamente polar. Un enlace completamente no polar ocurre cuando las electronegatividades son idénticas y por lo tanto poseen una diferencia de cero. Un enlace completamente polar se denomina más correctamente un enlace iónico , y ocurre cuando la diferencia entre electronegatividades es lo suficientemente grande como para que un átomo tome un electrón del otro. Los términos "polar" y "no polar" se aplican generalmente a los enlaces covalentes , es decir, los enlaces donde la polaridad no está completa. Para determinar la polaridad de un enlace covalente usando medios numéricos, se usa la diferencia entre la electronegatividad de los átomos.
La polaridad de enlace se divide típicamente en tres grupos que se basan libremente en la diferencia en la electronegatividad entre los dos átomos unidos. Según la escala de Pauling :
- Los enlaces no polares generalmente ocurren cuando la diferencia en la electronegatividad entre los dos átomos es menor que 0.5
- Los enlaces polares generalmente ocurren cuando la diferencia en la electronegatividad entre los dos átomos está aproximadamente entre 0.5 y 2.0
- Los enlaces iónicos generalmente ocurren cuando la diferencia en la electronegatividad entre los dos átomos es mayor que 2.0
Pauling basó este esquema de clasificación en el carácter iónico parcial de un enlace, que es una función aproximada de la diferencia en electronegatividad entre los dos átomos unidos. Estimó que una diferencia de 1.7 corresponde al 50% del carácter iónico, de modo que una mayor diferencia corresponde a un enlace que es predominantemente iónico. [3]
Como una descripción de la mecánica cuántica , Pauling propuso que la función de onda para una molécula polar AB es una combinación lineal de funciones de onda para moléculas covalentes e iónicas: ψ = aψ (A: B) + bψ (A +B - ). La cantidad de caracteres covalentes e iónicos depende de los valores de los coeficientes cuadrados a 2 y b 2 . [4]
Polaridad de las moléculas [ editar ]
Si bien las moléculas se pueden describir como "covalente polar", "covalente no polar" o "iónica", este es a menudo un término relativo, con una molécula simplemente más polar o más no polar que otra. Sin embargo, las siguientes propiedades son típicas de tales moléculas.
Una molécula está compuesta de uno o más enlaces químicos entre orbitales moleculares de diferentes átomos. Una molécula puede ser polar ya sea como resultado de enlaces polares debido a las diferencias en la electronegatividad como se describió anteriormente, o como resultado de una disposición asimétrica de enlaces covalentes no polares y pares de electrones no enlazados conocidos como un orbital molecular completo .
Moléculas polares[ editar ]
Una molécula polar tiene un dipolo neto como resultado de las cargas opuestas (es decir, que tienen cargas parciales positivas y parciales negativas) de los enlaces polares dispuestos asimétricamente. El agua (H 2O) es un ejemplo de una molécula polar ya que tiene una ligera carga positiva en un lado y una ligera carga negativa en la otra. Los dipolos no se cancelan dando como resultado un dipolo neto. Debido a la naturaleza polar de la molécula de agua, las moléculas polares generalmente se pueden disolver en el agua. Otros ejemplos incluyen azúcares (como la sacarosa ), que tienen muchos grupos polares de oxígeno-hidrógeno (−OH) y en general son altamente polares.
Si los momentos dipolares de enlace de la molécula no se cancelan, la molécula es polar. Por ejemplo, la molécula de agua (H 2 O) contiene dos enlaces polares O-H en un doblado geometría (no lineal). Los momentos dipolares de enlace no se cancelan, por lo que la molécula forma un dipolo molecular con su polo negativo en el oxígeno y su polo positivo a medio camino entre los dos átomos de hidrógeno. En la figura, cada enlace une el átomo de O central con una carga negativa (rojo) a un átomo de H con una carga positiva (azul).
La molécula de fluoruro de hidrógeno , HF, es polar en virtud de los enlaces covalentes polares: en el enlace covalente, los electrones se desplazan hacia el átomo de flúor más electronegativo. Amoníaco , NH 3 , molécula, los tres enlaces N-H tienen solo una ligera polaridad (hacia el átomo de nitrógeno más electronegativo). La molécula tiene dos electrones solitarios en un orbital, que apunta hacia el cuarto vértice del tetraedro aproximado, ( VSEPR ). Este orbital no participa en la unión covalente; es rico en electrones, lo que resulta en un poderoso dipolo en toda la molécula de amoníaco.
En las moléculas de ozono (O 3 ), los dos enlaces O − O son no polares (no hay diferencia de electronegatividad entre los átomos del mismo elemento). Sin embargo, la distribución de otros electrones es desigual, ya que el átomo central tiene que compartir los electrones con otros dos átomos, pero cada uno de los átomos externos tiene que compartir los electrones con solo otro átomo, el átomo central está más privado de electrones que los otros. (el átomo central tiene una carga formal de 1, mientras que los átomos exteriores tienen cada uno una carga formal de - 1 / 2 ). Dado que la molécula tiene una geometría doblada, el resultado es un dipolo a través de toda la molécula de ozono.
Cuando se compara una molécula polar y no polar con masas molares similares, la molécula polar en general tiene un punto de ebullición más alto, porque la interacción dipolo-dipolo entre las moléculas polares da lugar a atracciones intermoleculares más fuertes. Una forma común de interacción polar es el enlace de hidrógeno , que también se conoce como el enlace-H. Por ejemplo, el agua forma enlaces H y tiene una masa molar M = 18 y un punto de ebullición de +100 ° C, en comparación con el metano no polar con M = 16 y un punto de ebullición de –161 ° C.
Moléculas no polares [ editar ]
Una molécula puede ser no polar cuando hay una distribución equitativa de electrones entre los dos átomos de una molécula diatómica o debido a la disposición simétrica de los enlaces polares en una molécula más compleja. Por ejemplo, el trifluoruro de boro (BF 3 ) tiene una disposición plana trigonal de tres enlaces polares a 120 °. Esto resulta en ningún dipolo general en la molécula.
No todas las moléculas con enlaces polares son moléculas polares. El dióxido de carbono(CO 2 ) tiene dos enlaces polares C = O, pero la geometría del CO 2 es lineal, por lo que los dos momentos de dipolo de enlace se cancelan y no hay momento de dipolo molecular neto; La molécula es no polar.
Los ejemplos de compuestos no polares domésticos incluyen grasas, aceite y gasolina / gasolina. Por lo tanto, la mayoría de las moléculas no polares son insolubles en agua ( hidrófobas ) a temperatura ambiente. Muchos disolventes orgánicos no polares , como la trementina , pueden disolver sustancias no polares.
En la molécula de metano (CH 4 ), los cuatro enlaces C − H están dispuestos tetraédricamente alrededor del átomo de carbono. Cada enlace tiene polaridad (aunque no muy fuerte). Sin embargo, los enlaces están dispuestos simétricamente por lo que no hay dipolo general en la molécula. La molécula de oxígeno diatómico (O 2 ) no tiene polaridad en el enlace covalente debido a la igual electronegatividad, por lo tanto, no hay polaridad en la molécula.
Las moléculas anfifílicas [ editar ]
Las moléculas grandes que tienen un extremo con grupos polares unidos y otro extremo con grupos no polares se describen como anfifilos o moléculas anfifílicas . Son buenos surfactantes y pueden ayudar en la formación de emulsiones estables, o mezclas, de agua y grasas. Los surfactantes reducen la tensión interfacial entre el aceite y el agua al adsorberla interfaz líquido-líquido.
Predicción de polaridad molécula [ editar ]
| Fórmula | Descripción | Ejemplo | Nombre | |
|---|---|---|---|---|
| Polar | AB | Moleculas lineales | CO | Monóxido de carbono |
| HA x | Moléculas con una sola H | HF | Fluoruro de hidrógeno | |
| A x OH | Moléculas con un OH en un extremo. | C 2 H 5 OH | Etanol | |
| O x A y | Moléculas con una O en un extremo. | H 2 O | Agua | |
| N x A y | Moléculas con una N en un extremo. | NH 3 | Amoníaco | |
| No polar | Un 2 | Moléculas diatómicas del mismo elemento. | O 2 | Dioxygen |
| C x A y | La mayoría de los compuestos de carbono | CO 2 | Dióxido de carbono |
Determinar el grupo de puntos es una forma útil de predecir la polaridad de una molécula. En general, una molécula no poseerá un momento dipolar, si los momentos dipolares de enlace individual de la molécula se anulan entre sí. Esto se debe a que los momentos dipolares son cantidades vectoriales euclidianas con magnitud y dirección, y se anularán dos vectores iguales que se oponen entre sí.
Cualquier molécula con un centro de inversión ("i") o un plano de espejo horizontal ("σ h ") no tendrá momentos dipolares. Del mismo modo, una molécula con más de un eje C n no tendrá momento dipolar porque los momentos dipolares no pueden estar en más de una dimensión . Como consecuencia de esa restricción, todas las moléculas con simetría D ( notación de Schönflies ) no tendrán momento dipolar porque, por definición, los grupos de puntos D tienen dos o múltiples ejes C n .
Como los grupos de puntos C 1 , C s , C ∞h C n y C n v no tienen un centro de inversión, planos de espejo horizontales o múltiples ejes C n , las moléculas en uno de esos grupos de puntos tendrán un momento dipolar.
Desviación eléctrica del agua [ editar ]
Contrariamente a la idea errónea popular, la desviación eléctrica de una corriente de agua de un objeto cargado no se basa en la polaridad. La desviación se produce debido a las gotitas cargadas eléctricamente en la corriente, que induce el objeto cargado. Una corriente de agua también se puede desviar en un campo eléctrico uniforme, que no puede ejercer fuerza sobre las moléculas polares. Además, después de que una corriente de agua se conecta a tierra, ya no se puede desviar. La desviación débil es incluso posible para líquidos no polares.
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