Polaritat molecular

La polaritat d’una molècula no es decideix comptant enllaços polars. Cal conèixer la geometria i sumar vectorialment tots els moments dipolars; la simetria pot cancel·lar-los o deixar un dipol net.

La polaritat molecular és una suma vectorial

Primer: cada enllaç pot tenir un dipol

Quan dos àtoms units tenen electronegativitats diferents, la densitat electrònica de l’enllaç es desplaça cap a l’àtom que l’atrau més. Això crea càrregues parcials, δ+ i δ−, i un moment dipolar d’enllaç. La diferència d’electronegativitat orienta la predicció, però no és un interruptor que converteixi de cop un enllaç covalent en iònic.

Després: cal sumar els dipols amb direcció

Un moment dipolar és un vector. Per tant, dos enllaços polars poden donar una molècula apolar si els vectors es cancel·len per simetria. En CO₂ els dos dipols C=O són iguals i oposats en una geometria lineal; en H₂O, la geometria angular impedeix la cancel·lació.

CO₂H₂OOCOcancel·lació per simetriaHOHdipol molecular net
Els dipols d’enllaç s’han de sumar com a vectors La forma molecular decideix si els vectors dels enllaços se sumen o es cancel·len.

La geometria pot canviar completament el resultat

Molècules simètriques amb enllaços polars

BF₃ és trigonal plana. Cada enllaç B–F és polar, però els tres vectors estan separats 120° i la seva suma és zero en la molècula ideal. CF₄ és tetraèdrica i presenta la mateixa idea en tres dimensions: quatre dipols C–F equivalents es cancel·len per simetria.

Parells solitaris i substituents diferents trenquen la simetria

NH₃ és trigonal piramidal perquè el nitrogen té un parell solitari; els tres dipols N–H no es cancel·len. En CH₂Cl₂, la geometria és aproximadament tetraèdrica, però els substituents no són equivalents, de manera que la suma vectorial tampoc és zero.

Moment dipolar, polaritzabilitat i forces intermoleculars

El moment dipolar permanent es mesura habitualment en debye (D) i depèn tant de la separació de càrrega com de la distància entre les càrregues. No s’ha de confondre amb la polaritzabilitat, que descriu com de fàcil és deformar el núvol electrònic. Una molècula apolar com I₂ pot ser molt polaritzable.

La polaritat influeix en les forces intermoleculars, però no actua sola. La mida, la polaritzabilitat i la capacitat de formar enllaços d’hidrogen també importen. Per això «semblant dissol semblant» és una primera orientació, no una llei suficient per predir qualsevol solubilitat.

dipols d’enllaçdipol molecularsuma vectorial, no suma de valors absoluts
La simetria connecta els enllaços amb la polaritat global

Una manera segura d’analitzar una molècula

  1. Dibuixa una estructura de Lewis raonable i identifica els dominis electrònics.
  2. Determina la geometria molecular, no només la geometria dels dominis.
  3. Marca la direcció aproximada de cada dipol d’enllaç.
  4. Pregunta si la simetria obliga els vectors a cancel·lar-se.
  5. Si no es cancel·len, indica la direcció del dipol molecular resultant.

Aquest procediment evita un error molt habitual: decidir la polaritat mirant només si hi ha enllaços polars.

El moment dipolar és un vector mesurable

Per dues càrregues separades ±q, el mòdul del moment dipolar és μ = qr. En una molècula la distribució de càrrega és contínua, però la mateixa idea vectorial es manté: el moment dipolar descriu el desplaçament espacial entre càrrega positiva i negativa.

Els moments dipolars se solen expressar en debye (D). HCl és polar perquè la densitat electrònica està desplaçada cap al Cl. CO₂ conté dipols locals C=O, però el moment dipolar molecular és zero per simetria.

Una molècula amb μ = 0 encara pot tenir un núvol electrònic molt polaritzable i forces de dispersió importants. «Apolar» no vol dir que la distribució electrònica sigui uniforme ni que no hi hagi interaccions electrostàtiques locals.

La simetria dona una prova ràpida de polaritat

Geometria / exempleÀtoms externs equivalents?Dipol net?
CO₂ linealSíNo
BF₃ trigonal planaSíNo
CCl₄ tetraèdricaSíNo
H₂O angularSí, però la geometria no permet la cancel·lacióSí
NH₃ trigonal piramidalSí, però el parell solitari trenca la cancel·lacióSí
CH₂Cl₂ tetraèdricaNoSí

No és una llista per memoritzar. La pregunta física és si la simetria obliga els vectors dels dipols d’enllaç a sumar zero.

Selector de molècules

Polaritat, líquids i solubilitat

Els dissolvents polars poden estabilitzar molècules polars per interaccions dipol–dipol, i els ions queden especialment estabilitzats per interaccions ió–dipol. Això explica l’orientació general «semblant dissol semblant», però la regla és només qualitativa.

Les regions apolars grans, els donadors i acceptors d’enllaç d’hidrogen, la mida molecular i l’entropia també compten. L’etanol es barreja amb aigua gràcies al grup OH, mentre que els alcohols de cadena més llarga es tornen progressivament menys solubles en aigua.

Mapes electrostàtics i conformació

Els mapes de potencial electrostàtic mostren regions relativament riques o pobres en electrons i poden revelar polaritat local fins i tot quan el dipol total és zero. CO₂, per exemple, té extrems d’oxigen rics en electrons i un carboni relativament pobre, malgrat la cancel·lació global.

Les molècules flexibles tampoc tenen sempre un únic dipol. La rotació al voltant d’enllaços simples canvia l’orientació dels dipols locals, de manera que conformacions diferents poden tenir moments dipolars diferents. En dissolució, el valor observat pot representar una mitjana de moltes conformacions.

Exemples resolts

Exercici 1 — CO₂ és polar?

No. Cada C=O és polar, però la molècula és lineal i els dos vectors tenen la mateixa magnitud i direccions oposades. La suma vectorial és zero.

Exercici 2 — H₂O i CO₂ contenen enllaços polars. Per què només H₂O té un dipol net?

H₂O és angular perquè l’oxigen té dos parells solitaris. Els dipols O–H formen un angle i no es cancel·len; els dipols de CO₂ sí que ho fan per la geometria lineal.

Exercici 3 — BF₃ o NH₃: quina molècula és polar?

NH₃ és polar. BF₃ és trigonal plana i simètrica, de manera que els tres dipols B–F es cancel·len. NH₃ és trigonal piramidal i presenta un dipol resultant cap a la regió del nitrogen.