Polaridad de una molécula

La polaridad de una molécula influye en muchas propiedades físicas y químicas de las sustancias, tales como la solubilidad o el punto de fusión de estas. Vamos a ver cómo predecir la polaridad de una molécula. 

Polaridad de enlace

Cuando dos átomos comparten electrones formando un enlace covalente, tendemos a pensar que esos dos electrones están “a medias” en el medio de ambos. Sin embargo, esto no es necesariamente así. 

Entre dos átomos distintos hay diferencia de electronegatividad, es decir, una diferencia en la tendencia de cada átomo de coger los electrones del enlace hacia sí. El átomo más electronegativo atrae con más fuerza los electrones, creando una carga parcial negativa (δ-) a su alrededor, mientras que el átomo menos electronegativo adquiere una carga parcial positiva (δ+).

En el enlace H-H, ambos átomos tienen exactamente la misma electronegatividad. Así que el enlace es apolar. Los dos átomos tiran de los electrones del enlace con la misma fuerza. 

En el enlace H-Cl, el cloro es mucho más electronegativo que el hidrógeno. Esto genera una asimetría en la carga de la molécula. La zona del hidrógeno adquiere una carga parcial positiva, mientras que el cloro queda parcialmente cargado de forma negativa. Este tipo de moléculas se llaman DIPOLOS. 

Polaridad molecular

Cuando hablamos de moléculas formadas por dos átomos, determinar si son polares o no es sencillo:

• Si ambos átomos son iguales (como en O2, Cl2, N2…) la molécula es siempre apolar. 
• Si los átomos son diferentes (como en el HBr), la molécula será polar debido a la diferencia en la capacidad de cada átomo para atraer electrones, lo que conocemos como electronegatividad.

La cosa se complica un poco con moléculas que tienen tres o más átomos. En estos casos, no basta con saber que existen enlaces polares. La polaridad de la molécula dependerá de cómo se distribuyan estos enlaces en el espacio. Esto se debe a que la polaridad de un enlace es como una flecha (un vector) que indica la dirección hacia la que son atraídos los electrones. Estas "flechas" de polaridad de cada enlace pueden cancelarse entre sí, dependiendo de la geometría de la molécula.

Por lo tanto, para saber si una molécula con tres o más átomos es polar, podemos simplificar el proceso de la siguiente forma. 

Primero, dibujaremos la estructura de Lewis de la molécula. Vamos a fijarnos en el átomo central y usarlo para responder al siguiente diagrama:

La realidad es que, si la molécula tiene una geometría simétrica, en la que no hay pares de electrones no enlazantes que modifiquen los ángulos de enlace y todos sus sustituyentes (y por tanto, diferencia de electronegatividad entre los átomos) son iguales, la polaridad de unos enlaces se anula con la de otros. Este diagrama es solo una forma fácil de resolver los ejercicios. 

Veámoslo con un ejemplo. 

Ejemplo: Estudia la polaridad de la molécula CH4.

Dibujemos su estructura de Lewis:

Observemos su átomo central, el carbono. 

¿Tiene pares de electrones no enlazantes? No 

¿Son todos sus sustituyentes iguales? Sí, cuatro hidrógenos. 

Por tanto, la molécula es apolar. 

Esto se debe a que la polaridad del enlace C-H se ve compensada por la geometría tetraédrica de la molécula. 

La polaridad de la molécula influye, fundamentalmente, en dos parámetros importantes a la hora de estudiar las moléculas:

• Solubilidad: una molécula polar es soluble en disolventes polares (como el agua), mientras que una molécula apolar es soluble en disolventes apolares (como el benceno). Semejante disuelve a semejante. 
• Puntos de fusión y ebullición: la polaridad afecta a las fuerzas intermoleculares que se generan entre las distintas moléculas. Cuanto más fuertes sean, más energía se debe aplicar para romperlas y permitir que las moléculas cambien de estado. 

Ejercicios resueltos 

1. Establece la estructura de Lewis, geometría y polaridad de:

a) CHF3

b) PCl3

c) OF2

Datos: C (Z=6), H (Z=1), F (Z=9), P (Z=15), Cl (Z=17), O (Z=8)

Solución

Primero, dibujaremos la estructura de Lewis del compuesto y, a partir de él, deduciremos la geometría.

a) CHF3

C: 1s2 2s2 2p2

H: 1s1

F: 1s2 2s2 2p5

e- valencia = 4 + 1 + 3·7 = 26

e- octeto = 8 + 2 + 3·8 = 34

e- enlazantes = 34 – 26 = 8

e- no enlazantes = 26 – 8 = 18

El átomo central es el carbono (el menos electronegativo a excepción del hidrógeno)

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. Al no haber pares de electrones no enlazantes, la geometría molecular es también tetraédrica (AB4).

La molécula tiene enlaces polares y no tiene los cuatro sustituyentes iguales, así que la geometría no anula la polaridad. Es polar. (). 

 

b) PCl3

P: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

Cl: 1s2 2s2 2p5 3s2 3p5

 

e- valencia = 5 + 3·7 = 26

e- octeto = 8 + 3·8= 32

e- enlazantes = 32 – 26 = 6

e- no enlazantes = 26 – 6 = 20

El átomo central es el fósforo (el menos electronegativo)

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. El fósforo tiene un par de electrones no enlazantes, así que la geometría molecular se desvía ligeramente de la electrónica. La geometría molecular es pirámide trigonal (AB3E).

La molécula tiene enlaces polares y tiene pares de electrones no enlazantes, así que la geometría no anula la polaridad. Es polar (). 

 

c) OF2

O: 1s2 2s2 2p4

F: 1s2 2s2 2p5

 

e- valencia = 6 + 2·7 = 20

e- octeto = 8 + 2·8 = 24

e- enlazantes = 24 – 20 = 4

e- no enlazantes = 20 – 4 = 16

El átomo central es el oxígeno (el menos electronegativo)

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. El oxígeno tiene dos pares de electrones no enlazantes, así que la geometría molecular se desvía ligeramente de la electrónica. La geometría molecular es molecular (AB2E2).

La molécula tiene enlaces polares y tiene pares de electrones no enlazantes, así que así que la geometría no anula la polaridad. Es polar (). 

2. Indica si estos compuestos son solubles en agua o no:

CH3OH

HCN

Datos: C (Z=6), H (Z=1), O (Z=8), N (Z=7)

Solución

Las moléculas solubles en agua son aquellas que son polares. Para saber cuáles son polares, debemos ver su estructura de Lewis y ver su geometría:

CH3OH

C: 1s2 2s2 2p2

H: 1s1

O: 1s2 2s2 2p4

e- valencia = 4 + 4·1 + 6 = 14

e- octeto = 8 + 8 + 4·2= 24

e- enlazantes = 24 – 14 = 10

e- no enlazantes = 14 – 10 = 4

El átomo central es el carbono (el menos electronegativo a excepción del hidrógeno). Al ser un alcohol, uno de los hidrógenos está unido al oxígeno y no al átomo central. 

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. No hay electrones no enlazantes. Así que la geometría molecular es igual a la electrónica, tetraédrica (AB4).

La molécula tiene enlaces polares y, además, no son iguales. Así que los momentos dipolares de cada enlace son distintos y la geometría no puede anularlos. La molécula es polar (). Por tanto, soluble en agua.

HCN

C: 1s2 2s2 2p2

H: 1s1

N: 1s2 2s2 2p3

e- valencia = 4 + 1 + 5 = 10

e- octeto = 8 + 2 + 8 = 18

e- enlazantes = 18 – 10 = 8

e- no enlazantes = 10 – 8 = 2

El átomo central es el fósforo (el menos electronegativo)

Hay 2 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. La geometría molecular también es tetraédrica (AB2).

La molécula tiene enlaces polares y, además, no son iguales. Así que los momentos dipolares de cada enlace son distintos y la geometría no puede anularlos. La molécula es polar (). Por tanto, soluble en agua.

3. Para las moléculas BCl3 y PCl3. 

Indica la estructura de Lewis, los pares de electrones enlazantes y libres del átomo central, la geometría molecular y su polaridad. 

Datos: B (Z=5), Cl (Z=17), P (Z=15)

Solución

BCl3

B: 1s2 2s2 2p1

Cl: 1s2 2s2 2p3 3s2 3p5

e- valencia = 3·7 + 3 = 24

e- octeto = 6 + 3·8 = 30

e- enlazantes = 30 – 24 = 6

e- no enlazantes = 24 – 6 = 18

El átomo central es el boro (el menos electronegativo)

Hay 3 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es trigonal plana. El átomo central no tiene electrones no enlazantes, así que la geometría electrónica es igual a la molecular (AB3).

La molécula tiene enlaces polares, pero todos los enlaces son iguales. Así que los momentos dipolares de cada enlace son iguales y la geometría molecular hace que se anulen. La molécula es apolar (). 

 

PCl3

P: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

Cl: 1s2 2s2 2p3 3s2 3p5

e- valencia = 5 + 3·7 = 26

e- octeto = 4·8 = 32

e- enlazantes = 32 – 26 = 6

e- no enlazantes = 26 – 6 = 20

El átomo central es el fósforo (el menos electronegativo)

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. El átomo central tiene un par de electrones no enlazantes, así que la geometría molecular se desvía ligeramente de la electrónica. La geometría es pirámide trigonal (AB3E). 

La molécula tiene enlaces polares y pares de electrones no enlazantes. Así que la geometría no puede anular la polaridad. La molécula es polar (). 

4. Para las moléculas CCl4, NH3 y BeCl2:

a) Determina su geometría mediante la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia. 

b) Razona si estas moléculas son polares.

Datos: C (Z=6), Cl (Z=17), N (Z=7), H (Z=1), Be (Z=4).

Solución

a) Determina su geometría mediante la teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia. 

CCl4

C: 1s2 2s2 2p2

Cl: 1s2 2s2 2p3 3s2 3p5

e- valencia = 4 + 4·7 = 32

e- octeto = 5·8 = 40

e- enlazantes = 40 – 32 = 8

e- no enlazantes = 32 – 8 = 24

El átomo central es el carbono (el menos electronegativo)

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. El átomo central no tiene ningún par de electrones no enlazantes, así que la geometría molecular es igual a la electrónica: tetraédrica (AB4).

NH3

N: 1s2 2s2 2p3

H: 1s1

e- valencia = 5 + 3·1 = 8

e- octeto = 8 + 3·2 = 14

e- enlazantes = 14 – 8 = 6

e- no enlazantes = 8 – 6 = 2

El átomo central es el nitrógeno (el menos electronegativo a excepción del hidrógeno)

Hay 4 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es tetraédrica. El átomo central tiene ningún par de electrones no enlazantes, así que la geometría molecular se desvía de la electrónica: es pirámide trigonal (AB3E).

BeCl2

Cl: 1s2 2s2 2p3 3s2 3p5

Be: 1s2 2s2

e- valencia = 2 + 2·7 = 16

e- octeto = 4 + 2·8 = 20 (el berilio es una excepción: llena su octeto con dos electrones)

e- enlazantes = 20– 16 = 4

e- no enlazantes = 16 – 4 = 12

El átomo central es el berilio (el menos electronegativo)

Hay 2 zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central. Por tanto, la geometría electrónica es lineal, y la molecular, también (AB2).

b) Razona si estas moléculas son polares.

CCl4: La molécula tiene enlaces polares, pero todos sus enlaces son iguales y no tiene pares de electrones no enlazantes. Así que la geometría anula el momento dipolar de cada enlace. La molécula es apolar. (). 

NH3: La molécula tiene enlaces polares y tiene pares de electrones no enlazantes, así que la geometría no anula la polaridad. Es polar (). 

BeCl2: La molécula tiene enlaces polares, pero todos sus enlaces son iguales y no tiene pares de electrones no enlazantes. Así que la geometría anula el momento dipolar de cada enlace. La molécula es apolar. ().