10.4: Forma molecolare e polarità

Momento dipolare di una molecola

I legami covalenti polari collegano due atomi con elettronegatività diversa, lasciando un atomo con una carica parziale positiva (δ^+) e l’altro atomo con una carica parziale negativa (δ^–), poiché gli elettroni vengono attratti verso l’atomo più elettronegativo. Questa separazione di carica dà origine a un momento di dipolo di legame. L'entità del momento di dipolo di legame è rappresentata dalla lettera greca mu (μ) ed è data dalla formula qui riportata, dove Q è l'entità delle cariche parziali (determinata dalla differenza di elettronegatività) e r è la distanza tra le cariche : μ = Qr.

Questo momento di legame può essere rappresentato come un vettore, una quantità avente sia direzione che grandezza. I vettori dipolo sono mostrati come frecce che puntano lungo il legame dall'atomo meno elettronegativo verso l'atomo più elettronegativo. Viene disegnato un piccolo segno più sull'estremità meno elettronegativa per indicare l'estremità parzialmente positiva del legame. La lunghezza della freccia è proporzionale all'entità della differenza di elettronegatività tra i due atomi.

Fattori che determinano la polarità di una molecola

Un'intera molecola può anche avere una separazione di carica, a seconda della sua struttura molecolare e della polarità di ciascuno dei suoi legami. Se esiste una tale separazione di carica, si dice che la molecola è una molecola polare; altrimenti la molecola si dice non polare. Il momento dipolare misura l'entità della separazione netta di carica nella molecola nel suo insieme. Determiniamo il momento di dipolo sommando i momenti di legame nello spazio tridimensionale, tenendo conto della struttura molecolare.

Per le molecole biatomiche, esiste un solo legame, quindi il suo momento dipolare di legame determina la polarità molecolare. Le molecole biatomiche omonucleari come Br_2 e N_2 non hanno differenze di elettronegatività, quindi il loro momento dipolare è zero. Per le molecole eteronucleari come la CO, c'è un piccolo momento dipolare. Per HF, c'è un momento di dipolo maggiore perché c'è una maggiore differenza di elettronegatività.

Quando una molecola contiene più di un legame, è necessario tener conto della geometria. Se i legami in una molecola sono disposti in modo tale che i loro momenti di legame si annullano (la somma vettoriale è uguale a zero), allora la molecola è non polare. Questa è la situazione della CO_2. Ciascuno dei legami è polare, ma la molecola nel suo insieme è non polare. Dalla struttura di Lewis e utilizzando la teoria VSEPR, determiniamo che la molecola di CO_2 è lineare con legami polari C=O sui lati opposti dell'atomo di carbonio. I momenti di legame si annullano perché sono rivolti in direzioni opposte. Nel caso della molecola d'acqua, la struttura di Lewis mostra ancora una volta che ci sono due legami con un atomo centrale, e la differenza di elettronegatività mostra ancora una volta che ciascuno di questi legami ha un momento di legame diverso da zero. In questo caso, però, la struttura molecolare è piegata a causa delle coppie solitarie sull’O, e i due momenti di legame non si annullano. Pertanto, l'acqua ha un momento dipolare netto ed è una molecola polare (dipolo).

In una molecola OCS, la struttura è simile alla CO_2, ma un atomo di zolfo sostituisce uno degli atomi di ossigeno.

Il legame C-O è considerevolmente polare. Sebbene C e S abbiano valori di elettronegatività molto simili, S è leggermente più elettronegativo di C, e quindi il legame C-S è solo leggermente polare. Poiché l'ossigeno è più elettronegativo dello zolfo, l'estremità dell'ossigeno della molecola è l'estremità negativa.

Il clorometano, CH_3Cl, è una molecola tetraedrica con tre legami C-H leggermente polari e un legame C-Cl più polare. Le elettronegatività relative degli atomi legati sono H < C < Cl, quindi i momenti di legame puntano tutti verso l'estremità Cl della molecola e si sommano per produrre un considerevole momento dipolare (le molecole sono relativamente polari).

Per molecole ad alta simmetria come BF3 (trigonale planare), CH_4 (tetraedrico), PF_5 (bipiramidale trigonale) e SF6 (ottaedrico), tutti i legami hanno la stessa polarità (stesso momento di legame) e sono orientati in geometrie che producono molecole non polari (il momento dipolare è zero). Molecole con minore simmetria geometrica, tuttavia, possono essere polari anche quando tutti i momenti di legame sono identici. Per queste molecole, le direzioni dei momenti di legame uguali sono tali che si sommano per dare un momento di dipolo diverso da zero e una molecola polare. Esempi di tali molecole includono idrogeno solforato, H_2S (non lineare) e ammoniaca, NH_3 (piramidale trigonale)

Riassumendo, per essere polare, una molecola deve:

1. Contenere almeno un legame covalente polare.
2. Avere una struttura molecolare tale che la somma dei vettori di ciascun momento dipolare di legame non si annulla.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.6 Molecular Structure and Polarity.

In un legame covalente come quello dell'acido fluoridrico, gli elettroni vengono trascinati verso l'atomo più elettronegativo, indicato da una carica parziale. Tali legami sono chiamati legami polari. La separazione di carica crea un vettore detto momento di dipolo di legame, indicato dalla lettera greca mu.

Il suo valore è il prodotto dell'entità delle cariche parziali e della distanza tra esse. Il vettore punta dall'atomo meno al più elettronegativo, e indica il momento di dipolo di legame. La sua lunghezza è proporzionale all'entità della differenza di elettronegatività fra i due atomi.

La maggior parte delle molecole biatomiche contenenti atomi di elementi diversi hanno momenti di dipolo e quindi sono molecole polari. Le mappe del potenziale elettrostatico indicano le regioni di densità elettronica alta e bassa nel composto rispettivamente con i colori rosso e blu. I colori intermedi raffigurano una densità elettronica moderata.

Nei composti poliatomici, il momento di dipolo netto è determinato dai singoli momenti di dipolo di legame e dalla geometria del composto. Considerate una molecola d'acqua con due legami polari. Ha una forma curva ed è una molecola polare.

Al contrario, una molecola di anidride carbonica è lineare. I due legami carbonio-ossigeno sono polari ma sono orientati in direzioni opposte, annullando il momento di dipolo dell'altro e rendendo la molecola complessivamente non polare. Anche le molecole di solfuro di carbonile sono lineari.

Tuttavia, i momenti di dipolo dei legami carbonio-ossigeno e carbonio-zolfo non si annullano a vicenda, e la molecola ha un momento di dipolo netto. Il trifluoruro di boro è un composto planare trigonale. I momenti di dipolo dei legami boro-fluoro si annullano a vicenda per via della simmetria molecolare e il composto è non polare.

Tuttavia, i momenti di dipolo dei tre legami polari nelle molecole trigonali piramidali di tricloruro di fosforo non si annullano a vicenda, rendendolo un composto polare. Il tetrafluorometano è una molecola tetraedrica non polare poiché i momenti di dipolo dei quattro legami polari identici si annullano a vicenda. Il fluorometano è anch'esso una molecola tetraedrica.

Tuttavia, possiede un momento di dipolo netto poiché il legame C-F ha un momento di dipolo ampio rispetto ai legami C-H, e i momenti di dipolo del legame non si annullano a vicenda. In un campo elettrico, le molecole polari allineano l'estremità positiva verso la negativa e l'estremità negativa verso la positiva. Al contrario, le molecole non polari rimangono inalterate da un campo elettrico.

Generalmente, i solventi polari dissolvono i soluti polari e i solventi non polari dissolvono i soluti non polari perché tipi simili di molecole tendono ad avere interazioni più favorevoli. L'acqua è polare e dissolve facilmente i composti polari come il saccarosio, comunemente noto come zucchero da tavola. L'olio non è polare e rimane immiscibile in acqua.