Polaridad química

Los enlaces pueden ser completamente no polares o completamente polares. Un enlace completamente no polar se produce cuando las electronegatividades son idénticas y, por lo tanto, su diferencia es cero. Un enlace completamente polar se denomina más correctamente enlace iónico y se produce cuando la diferencia entre las electronegatividades es lo suficientemente grande como para que un átomo capte un electrón del otro. Los términos "polar" y "no polar" se aplican generalmente a los enlaces covalentes , es decir, a aquellos en los que la polaridad no es completa. Para determinar la polaridad de un enlace covalente mediante métodos numéricos, se utiliza la diferencia entre las electronegatividades de los átomos. 

La polaridad del enlace se divide típicamente en tres grupos que se basan vagamente en la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos enlazados. Según la escala de Pauling :

• Los enlaces no polares generalmente ocurren cuando la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos es menor que 0,5.
• Los enlaces polares generalmente ocurren cuando la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos está aproximadamente entre 0,5 y 2,0.
• Los enlaces iónicos generalmente se producen cuando la diferencia de 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 de electronegatividad entre los dos átomos enlazados. Estimó que una diferencia de 1,7 corresponde a un 50 % de carácter iónico, de modo que una diferencia mayor corresponde a un enlace predominantemente iónico. ^{[ 3 ]}

Como descripción cuántico-mecánica , Pauling propuso que la función de onda para una molécula polar AB es una combinación lineal de las funciones de onda para moléculas covalentes e iónicas: ψ = aψ(A:B) + bψ(A ⁺ B ⁻ ). La cantidad de carácter covalente e iónico depende de los valores de los coeficientes al cuadrado a ² y b ² . ^{[ 4 ]}

El momento dipolar de enlace ^{[ 5 ]} utiliza la idea del momento dipolar eléctrico para medir la polaridad de un enlace químico dentro de una molécula . Ocurre siempre que hay una separación de cargas positivas y negativas.

El dipolo de enlace μ viene dado por:

${\displaystyle \mu =\delta \,d}$.

El dipolo de enlace se modela como δ ⁺ — δ ^– con una distancia d entre las cargas parciales δ ⁺ y δ ^– . Es un vector, paralelo al eje del enlace, que apunta de menos a más, ^{[ 6 ]} como es convencional para los vectores de momento dipolar eléctrico .  

Los químicos suelen dibujar el vector que apunta de positivo a negativo. ^{[ 7 ]} Este vector puede interpretarse físicamente como el movimiento que experimentan los electrones cuando los dos átomos se colocan a una distancia d y se les permite interactuar; los electrones se moverán desde sus posiciones de estado libre para localizarse más alrededor del átomo más electronegativo .

La unidad del SI para el momento dipolar eléctrico es el culombio-metro. Esta es demasiado grande para ser práctica a escala molecular. Los momentos dipolares de enlace se miden comúnmente en debyes , representados por el símbolo D, que se obtiene midiendo la carga.${\displaystyle \delta }$en unidades de 10 ⁻¹⁰ statcoulomb y la distancia d en Angstroms . Basándonos en el factor de conversión de 10 ⁻¹⁰ statcoulomb, que equivale a 0,208 unidades de carga elemental, 1,0 debye resulta de un electrón y un protón separados por 0,208  Å. Un factor de conversión útil es 1  D  =  3,335  64 × 10⁻³⁰  C m. ^{[ 8 ]}

Para las moléculas diatómicas solo hay un enlace (simple o múltiple), por lo que el momento dipolar del enlace es el momento dipolar molecular, con valores típicos en el rango de 0 a 11  D. En un extremo, una molécula simétrica como el bromo , Br₂ , tiene un momento dipolar cero, mientras que cerca del otro extremo,el bromuro de potasio, KBr, que es altamente iónico, tiene un momento dipolar de 10,41 D. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En las moléculas poliatómicas, existen varios enlaces. El momento dipolar molecular total puede aproximarse como la suma vectorial de los momentos dipolares de los enlaces individuales. A menudo, los dipolos de enlace se obtienen mediante el proceso inverso: un dipolo total conocido de una molécula se puede descomponer en dipolos de enlace. Esto se realiza para transferir los momentos dipolares de enlace a moléculas que poseen los mismos enlaces, pero cuyo momento dipolar total aún se desconoce. La suma vectorial de los dipolos de enlace transferidos proporciona una estimación del dipolo total (desconocido) de la molécula.

Al comparar una molécula polar con una no polar de masas molares similares, la molécula polar generalmente tiene un punto de ebullición más alto, debido a que la interacción dipolo-dipolo entre moléculas polares genera atracciones intermoleculares más fuertes. Una forma común de interacción polar es el enlace de hidrógeno , también conocido como 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, cuya masa molar es M = 16 y su punto de ebullición es de −161  °C.

Debido a la naturaleza polar de la molécula de agua, otras moléculas polares generalmente se disuelven en ella. La mayoría de las moléculas no polares son insolubles en agua ( hidrofóbicas ) a temperatura ambiente. Muchos disolventes orgánicos no polares , como la trementina , pueden disolver sustancias no polares.

Los compuestos polares tienden a tener una tensión superficial mayor que los compuestos no polares.

Los líquidos polares tienden a ascender contra la gravedad en un tubo de diámetro pequeño.

Los líquidos polares tienden a ser más viscosos que los líquidos no polares. Por ejemplo, el hexano, que no es polar, es mucho menos viscoso que el agua, que es polar. Sin embargo, el tamaño molecular influye mucho más en la viscosidad que la polaridad, de modo que los compuestos con moléculas más grandes son más viscosos que los compuestos con moléculas más pequeñas. Por lo tanto, el agua (con moléculas polares pequeñas) es menos viscosa que el hexadecano (con moléculas no polares grandes).

Una molécula polar tiene un dipolo neto como resultado de las cargas opuestas (es decir, cargas parciales positivas y negativas) de los enlaces polares dispuestos asimétricamente. El agua (H₂O ₎ es un ejemplo de molécula polar, ya que tiene una ligera carga positiva en un lado y una ligera carga negativa en el otro. Los dipolos no se cancelan, lo que resulta en un dipolo neto. El momento dipolar del agua depende de su estado. En la fase gaseosa, el momento dipolar es ≈ 1,86 debye (D) ^{[ 11 ]} , mientras que el agua líquida (≈ 2,95 D) ^{[ 12 ]} y el hielo (≈ 3,09 D) ^{[ 13 ]} son ​​mayores debido a los diferentes entornos de enlaces de hidrógeno. Otros ejemplos incluyen los azúcares (como la sacarosa ), que tienen muchos grupos polares de oxígeno-hidrógeno (−OH) y son en general altamente polares.

Si los momentos dipolares de los enlaces de la molécula no se cancelan, la molécula es polar. Por ejemplo, la molécula de agua (H₂O ₎ contiene dos enlaces O−H polares con una geometría angular (no lineal). Los momentos dipolares de los enlaces 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 central de O con carga negativa (rojo) a un átomo de H con 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, que es más electronegativo. 

El amoníaco , NH₃ _, es una molécula cuyos tres enlaces N−H presentan una polaridad muy baja (hacia el átomo de nitrógeno, que es más electronegativo). La molécula posee dos electrones no enlazantes en un orbital que apunta hacia el cuarto vértice de un tetraedro aproximadamente regular, tal como predice la teoría VSEPR . Este orbital no participa en enlaces covalentes; es rico en electrones, lo que genera un potente dipolo en toda la molécula de amoníaco.

En las moléculas de ozono (O₃ ₎ , los dos enlaces O−O son no polares (no existe diferencia de electronegatividad entre átomos del mismo elemento). Sin embargo, la distribución de los demás electrones es desigual : dado que el átomo central comparte electrones con otros dos átomos, mientras que cada uno de los átomos externos solo comparte electrones con uno, el átomo central se encuentra más desprovisto de electrones que los demás (el átomo central tiene una carga formal de +1, mientras que los átomos externos tienen una carga formal de −1/2 ) . Debido a la geometría angular de la molécula, se genera un dipolo a lo largo de toda la molécula de ozono. 

Una molécula puede ser apolar cuando existe 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 (BF₃ ₎ presenta una disposición trigonal plana de tres enlaces polares a 120°. Esto da como resultado la ausencia de un dipolo global en la molécula.

El dióxido de carbono (CO₂ ₎ tiene dos enlaces polares C=O, pero la geometría del CO₂ _es lineal, por lo que los dos momentos dipolares de enlace se cancelan y no hay un momento dipolar molecular neto; la molécula es apolar.

En la molécula de metano ( _CH₄ ), los cuatro enlaces C−H se disponen tetraédricamente alrededor del átomo de carbono. Cada enlace posee polaridad (aunque no muy fuerte). Los enlaces están dispuestos simétricamente, por lo que no existe un dipolo global en la molécula. La molécula de oxígeno diatómico (O₂ ₎ no presenta polaridad en el enlace covalente debido a la igualdad de electronegatividad; por lo tanto, no hay polaridad en la molécula.

Otras moléculas de alcano son menos simétricas que el metano, pero poseen un dipolo débil debido a que los enlaces C-H son poco polares. Asimismo, mezclas domésticas como el aceite mineral y el queroseno son poco polares (a menudo se describen como "no polares") porque están compuestas por dichos alcanos.

Las moléculas grandes que tienen un extremo con grupos polares y otro con grupos no polares se denominan anfifílicas o moléculas anfifílicas . Son buenos tensioactivos y pueden contribuir a la formación de emulsiones estables, o mezclas, de agua y grasas. Los tensioactivos reducen la tensión interfacial entre el aceite y el agua al adsorberse en la interfaz líquido-líquido.

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  Esta molécula anfifílica tiene varios grupos polares ( hidrófilos , afines al agua ) en el lado derecho y una larga cadena no polar ( lipófila , afín a las grasas ) en el lado izquierdo. Esto le confiere propiedades tensioactivas.
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  Una micela —los extremos lipofílicos de las moléculas de surfactante se disuelven en el aceite, mientras que los extremos hidrófilos permanecen en la fase acuosa, protegiendo al resto de la micela hidrófoba— . De esta forma, la pequeña gota de aceite se vuelve soluble en agua. 
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  Los fosfolípidos son surfactantes naturales eficaces que tienen importantes funciones biológicas.
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  Vista en sección transversal de las estructuras que pueden formar los fosfolípidos . Estos pueden formar micelas y son vitales para la formación de las membranas celulares.