Polaridad molecular
Una molécula es polar cuando su distribución de carga presenta un momento dipolar eléctrico distinto de cero. Se necesitan dos condiciones: los enlaces individuales deben tener dipolos y la geometría tridimensional debe dejar una suma vectorial no nula.
La polaridad de enlace comienza con una atracción electrónica desigual
Las diferencias de electronegatividad desplazan la densidad electrónica compartida. El extremo más electronegativo se обозначa δ− y el otro δ+. Son cargas parciales y no estados de oxidación formales ni cargas iónicas completas.
El momento dipolar de enlace depende tanto de la carga separada como de la distancia, por lo que Δχ por sí sola no determina el dipolo medido.
La geometría decide si los dipolos se cancelan
CO₂ tiene dos enlaces C=O fuertemente polares, pero su simetría lineal hace que los dipolos se cancelen. H₂O es angular, de modo que los dos dipolos O–H se suman y producen un dipolo molecular neto.
BF₃, CH₄, PF₅ y SF₆ ofrecen otros ejemplos en los que una gran simetría cancela dipolos de enlace equivalentes.
Los pares solitarios suelen cambiar tanto la geometría como la polaridad
Los pares solitarios afectan a la geometría de los dominios electrónicos y pueden destruir la simetría necesaria para la cancelación. NH₃ es piramidal trigonal, no trigonal plano; SO₂ es angular, no lineal.
Pero la presencia de un par solitario no garantiza por sí sola que una molécula sea polar. XeF₄ tiene dos pares solitarios y, sin embargo, es cuadrado plano, con cancelación simétrica de los dipolos de enlace.
La polaridad influye en el comportamiento intermolecular
Las moléculas polares interaccionan mediante fuerzas dipolo–dipolo dependientes de la orientación. Si H está enlazado a N, O o F, pueden aparecer enlaces de hidrógeno direccionales especialmente intensos.
La polaridad influye en la solubilidad, el punto de ebullición, el comportamiento dieléctrico y la orientación de las moléculas en campos eléctricos, pero el tamaño molecular y las fuerzas de dispersión siguen siendo importantes. «Polar = punto de ebullición alto» no es una regla universal.
Selector de molécula
Momentos dipolares medidos y sus límites
Los momentos dipolares son magnitudes medidas, habitualmente expresadas en debye (D). Un momento dipolar nulo no significa que «no exista separación de carga en ningún lugar»; puede significar que los dipolos locales se cancelan exactamente por simetría.
Las moléculas muy flexibles adoptan muchas conformaciones, por lo que su polaridad efectiva puede depender de la conformación y del entorno. Los disolventes también pueden modificar la distribución de carga.
El momento dipolar como vector medible
Para dos cargas separadas ±q, el módulo del momento dipolar es μ = qr. Las distribuciones de carga moleculares son continuas y no dos cargas puntuales, pero se mantiene la misma idea vectorial: el momento dipolar registra cómo se desplazan en el espacio las cargas positiva y negativa.
Los momentos dipolares se expresan habitualmente en debye. HCl es polar porque su distribución electrónica está desplazada hacia Cl. CO₂ presenta dipolos locales C=O, pero su dipolo molecular es nulo por simetría.
Una molécula con μ = 0 puede seguir teniendo una densidad electrónica polarizable y fuerzas intermoleculares de dispersión intensas. «Apolar» no significa «sin estructura electrostática».
La simetría proporciona una prueba rápida de polaridad
| Geometría / ejemplo | ¿Átomos exteriores equivalentes? | ¿Dipolo neto? |
|---|---|---|
| CO₂ lineal | Sí | No |
| BF₃ trigonal plano | Sí | No |
| CCl₄ tetraédrico | Sí | No |
| H₂O angular | Sí, pero la geometría no tiene simetría de cancelación | Sí |
| NH₃ piramidal trigonal | Sí, pero el par solitario rompe la simetría de cancelación | Sí |
| CH₂Cl₂ tetraédrico | No | Sí |
Se trata de un argumento de simetría vectorial, no de una lista para memorizar. Hay que preguntarse si los vectores de los dipolos de enlace están relacionados por operaciones de simetría que obligan a que su suma sea cero.
Polaridad en líquidos y solubilidad
Las moléculas polares pueden estabilizarse en disolventes polares mediante interacciones dipolares, y los iones se estabilizan especialmente por interacciones ion–dipolo. De ahí procede la conocida regla «lo semejante disuelve a lo semejante», aunque solo es cualitativa.
También importan las regiones apolares grandes, los donadores y aceptores de enlaces de hidrógeno, el tamaño molecular y la entropía. El etanol se mezcla con agua porque su grupo OH forma enlaces de hidrógeno intensos, mientras que los alcoholes de cadena más larga se vuelven progresivamente menos solubles en agua a medida que crece la región hidrocarbonada.
La polaridad conecta así la geometría molecular con el comportamiento macroscópico, pero predecir la solubilidad exige considerar el equilibrio completo de interacciones intermoleculares.
Los mapas de potencial electrostático añaden detalle espacial
Las superficies de potencial electrostático codificadas por colores se utilizan a menudo para visualizar las zonas relativamente ricas o pobres en electrones de una molécula. Pueden revelar regiones polares locales incluso en una molécula cuyo dipolo total sea cero.
Por ejemplo, CO₂ presenta extremos de oxígeno ricos en electrones y un centro de carbono pobre en electrones, pero el dipolo vectorial global se cancela. Las interacciones electrostáticas locales pueden seguir siendo importantes cuando otra molécula se aproxima a uno de los extremos.
Esto corrige la idea de que «apolar» significa una densidad electrónica uniforme. La polaridad molecular es una propiedad vectorial global de una distribución de carga mucho más rica.
La conformación puede cambiar el dipolo molecular
Las moléculas flexibles no tienen una única geometría rígida. La rotación alrededor de enlaces sencillos cambia las direcciones de los dipolos de enlace individuales, por lo que distintas conformaciones pueden presentar distintos momentos dipolares netos.
En disolución, la temperatura y las interacciones con el disolvente modifican la población conformacional. Por ello, el dipolo medio medido puede reflejar un conjunto de conformaciones y no una única representación de libro de texto.
Ejercicios
BF₃
Cada enlace B–F es polar. ¿Por qué BF₃ es apolar?
Solución
Su simetría trigonal plana hace que los tres vectores de dipolo de enlace equivalentes se cancelen.
NH₃ frente a BF₃
¿Cuál es polar y qué diferencia geométrica es importante?
Solución
NH₃ es polar porque su geometría piramidal trigonal carece de la cancelación trigonal plana de BF₃.
XeF₄
¿La presencia de pares solitarios hace que XeF₄ sea polar?
Solución
No. Los dos pares solitarios están opuestos y los cuatro enlaces Xe–F forman un plano cuadrado simétrico, de modo que los dipolos de enlace se cancelan.