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La polaridad de las moléculas.

Una gran parte de las sustancias que nos rodean no están formadas por moléculas que andan "vagando" en el espacio a cualquier distancia entre ellas, si usted toma un poco de agua, el "cuerpo" se mantiene como una unidad volumétrica que no se deshace ni crece de volumen espontáneamente. Del mismo modo sucede con el tetracloruro de carbono CCl4 (un líquido disolvente), con el hielo y otras muchas sustancias que nos rodean. Esta situación de coherencia nos induce a pensar que deben existir fuerzas de atracción entre las moléculas que las mantienen unidas en un cierto volumen fijo, y el hecho es absolutamente cierto para líquidos y sólidos. En los gases esto no se cumple, las moléculas de los gases si "vagan" sin ser retenidas por nada (o casi nada) y por lo tanto un gas dejado en el espacio (sin estar en un recipiente) se expande constantemente auto-diluyéndose, es decir sus moléculas se separan unas de otras sin control, parece que no hay fuerzas de atracción intermoleculares o estas son muy débiles.

Si usted toma un trozo de hielo y trata de partirlo con las manos notará una fuerte resistencia, probablemente no podrá romperlo, sus moléculas están fuertemente unidas por interacción molecular, de no haberla resulta claro que el trozo de hielo se convertiría en gas al instante.

Pero ¿de donde vienen esas fuerzas intermoleculares?, ¿de qué depende la magnitud de estas? Un rol clave en esto se encuentra en la forma de las moléculas.

Moléculas polares y apolares

Analicemos dos moléculas simples, la de hidrógeno H2 y la de fluoruro de hidrógeno HF (un gas). Ambas tienen forma lineal (todas las moléculas con solo dos átomos son lineales) pero entre ellas hay una gran diferencia.
 
La molécula de hidrógeno está formada por dos átomos de este elemento unidos por un enlace covalente puro, es decir ambos átomos comparten por igual los electrones de enlace (figura 1).

Para el caso del HF la situación es distinta, el átomo de flúor al ser mas electronegativo (tabla 1) que su "compañero" el hidrógeno retiene mas tiempo en sus cercanías los electrones compartidos y el enlace resulta covalente polar (figura 2). ¿Que sucede con esto?, simplemente que hay una mayor concentración de carga negativa en las inmediaciones del átomo de flúor, y por la misma razón una mayor presencia de carga positiva alrededor el átomo de hidrógeno, la molécula se polariza eléctricamente. En la práctica este desbalance de cargas se representa con la letra griega minúscula delta (δ) y en la inmediaciones del átomo de flúor existe una carga δ+ mientras que alrededor de átomo de hidrógeno una carga δ-.

La polaridad de las moléculas de gases no es igual para todos, ya hemos visto que la molécula de hidrógeno no es polar, del mismo modo no son polares las moléculas de nitrógeno y del oxígeno del aire, estos gases comparten los electrones de valencia por igual y por tanto no hay regiones cargadas en la molécula.

En el HF la significativa diferencia de eletronegatividad entre el hidrógeno y el flúor resulta en una molécula bastante polarizada, más que la molécula de cloruro de hidrógeno HCl veamos porqué.

Observe la tabla 1 a la derecha, verá que el flúor (F) es mas electronegativo (EN = 4.0) que el cloro (Cl) con EN = 3.0, la electronegatividad es una magnitud que da idea de la fuerza con la que cierto elemento atrae para él los electrones compartidos en un enlace, de forma que la polaridad de una molécula estará en dependencia de la diferencia de electronegatividades (ΔEN) entre los átomos involucrados. Así tenemos que:

La molécula de HF tiene ΔEN = 4.0 - 2.1 = 1.9

La molécula de HCl tiene ΔEN = 3.0 - 2.1 = 0.9


Ambas moléculas son polares pero la de HF es más polar de la de HCl.
La polaridad de las moléculas se puede tratar como una magnitud vectorial, tiene un valor (que depende de ΔEN) y convencionalmente se le ha dado el sentido hacia δ- con una cruz del lado de δ+ tal y como se representa en las figuras 3 y 4 a continuación.

figura 10
Figura 3.

figura 11
Figura 4

La flecha representa una magnitud del enlace llamada momento dipolar que es simplemente una medida de cuanto dipolar es el enlace.  Mientras mas grande es el momento dipolar, mas polar es la molécula y a su vez mayores son las cargas δ+ y δ-.

Note que hemos usado el concepto de momento dipolar para el enlace, pero también hay un momento dipolar para la molécula en conjunto que se llama momento dipolar molecular. Para las moléculas tratadas hasta ahora donde solo hay un enlace polar, evidentemente el momento dipolar del enlace es el mismo que el momento dipolar de la molécula.

Veamos ahora el acetileno como ejemplo de una molécula con mas de un enlace polar.



Note que en el acetileno tiene dos enlaces polares C-H y esto se puede detectar de la diferencia de electronegatividades entre ambos elementos, la EN del carbono es 2.5 mientras que la del hidrógeno es 2.1 lo que produce un ΔEN = 0.4 indicando un momento dipolar del enlace no muy alto, el enlace no es muy polar, pero es polar al fin. Además hay un enlace triple C-C  que como es entre átomos iguales no es polar (ambos comparten los electrones del enlace por igual).

Hagamos ahora el diagrama vectorial de la molécula del acetileno (figura 12 a continuación).

 Molécula de acetileno
Figura 12. Diagrama de la molécula del acetileno mostrando los vectores de momento dipolar

Enlace covalente puro
Figura 1.  Enlace H-H covalente puro

Enlace covalente-polar
Figura 2. Enlace H-F covalente polar



Electronegatividad
Tabla 1. Electronegatividad de los elementos representativos.






 Aunque la molécula tiene dos enlaces polares, ambos enlaces son iguales por lo que los momentos dipolares son de la misma magnitud y tienen sentidos contrarios, la suma de los vectores es cero y por tanto el momento dipolar de la molécula es cero, la molécula en su conjunto no es polar.

Un caso interesante es el del agua, esta es una molécula con tres átomos, dos de hidrógeno y uno de oxígeno cuya forma molecular se muestra en la figura 13 a la derecha. Esta molécula es del tipo acodada y todos sus átomos están en el mismo plano.

Calculemos ahora la ΔEN de los enlaces H-O como la diferencia entre las electronegatividades de ambos elementos.

ΔEN = 3.5 - 2.1 = 1.4 (vea la tabla 2)

La magnitud de ΔEN es relativamente grande (el oxígeno es el segundo entre los elementos mas electronegativos) lo que significa que el momento dipolar del enlace es alto y por tanto muy polarizado.

Construyamos el diagrama vectorial de la molécula del agua según la convención establecida con anterioridad para determinar si la molécula en su conjunto es polar o apolar.
Molécula de agua
Figura 13. Molécula del agua



La figura 5 a la derecha muestra la construcción del diagrama vectorial para determinar la polaridad de la molécula de agua. Note que efectivamente la suma de los vectores correspondientes a los momentos dipolares de cada enlace resulta en un vector con cierta magnitud (comparable con la del fuerte enlace polarizado H-O) y que este se dirige cortando el ángulo entre los átomos de hidrógeno a la mitad, o dicho de otra forma desde el lado δ+ de la molécula como un todo, hacia el lado δ- de la molécula como un todo según se muestra a continuación en la figura 6.

figura 15
Figura 6. Momento dipolar de la molécula del agua.


figura 14
Figura 5. Determinación del momento dipolar de la molécula de agua.
Utilizando el mismo principio mostrado hasta aquí, usted puede determinar si una molécula en conjunto es polar o apolar.

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