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Por qué la molécula de agua es polar y la de dióxido de carbono es no polar

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Por qué la molécula de agua es polar y la de dióxido de carbono es no polar

 

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Los enlaces covalentes con polaridad eléctrica también son llamados dipolos eléctricos porque se forma un enlace con dos polos en el que un átomo actúa como polo negativo y el otro como polo positivo. Los dipolos se simbolizan con una flecha que señala la dirección y el sentido hacia el que los electrones compartidos se corren. La punta de la flecha indica hacia el polo negativo y su extremo posterior se cruza con una línea corta que forma un signo "+" para indicar que se trata del polo positivo.

Entonces, como se puede notar, la magnitud del dipolo se representa a través de vectores (flechas). En matemática, las magnitudes vectoriales son aquellas que no solo dependen de su valor sino también de su dirección y sentido, por eso se representan con flechas. Una magnitud vectorial muy utilizada cotidianamente es la velocidad, ya que no solo depende de su magnitud sino también de la dirección y sentido en la que se mueve el cuerpo cuya velocidad se está midiendo. El vector que representa a la magnitud del dipolo se conoce con el nombre de momento dipolar. En el momento dipolar, para explicarlo de una manera sencilla y no tan técnica, la longitud de la flecha representa al valor de polaridad eléctrica del enlace, la dirección es el ángulo de la flecha y el sentido indica hacia cuál de los dos extremos de la flecha se dirige la polaridad (lo que representa al sentido es el extremo delantero de la flecha).

El concepto de dipolo es muy importante, ya que su representación a través de flechas (vectores) es muy útil para conocer la polaridad eléctrica total de moléculas más complejas conformadas por dos o más enlaces covalentes.

Por ejemplo, la molécula de agua (H2O) está conformada por dos enlaces covalentes polares (H-O) que forman un ángulo de 104,45º entre sí. Es importante conocer hacia dónde apunta cada uno de estos dos dipolos para averiguar la polaridad neta de la molécula. Esto se logra realizando una suma de los vectores (las flechas de los dipolos). El resultado es otra flecha más larga que apunta en un sentido diferente al de cada uno de los dos enlaces H-O, y coincide con la polaridad eléctrica de la molécula de agua. Este momento dipolar neto de la molécula de agua se muestra en la imagen de arriba.

Por el contrario, en la molécula de dióxido de carbono (CO2) los dos enlaces covalentes polares (C=O) que la componen forman un ángulo de 180º entre sí, es decir son dos dipolos de igual valor numérico, pero que apuntan en direcciones opuestas (hacia cada átomo de Oxígeno que actúa como polo negativo). Debido a esto, si se suman los vectores, se encuentra que se cancelan estas polaridades y dan como resultado neto una molécula no polar.
  
El agua (H2O) al igual que el dióxido de carbono (CO2) posee dos enlaces polares, sin embargo sus polaridades no se cancelan y la molécula es altamente polar. Esto ocurre porque los dos átomos de Hidrógeno no están posicionados en los extremos opuestos sino que los enlaces forman un ángulo de 104,45º entre sí.

La polaridad de una molécula con más de un enlace covalente no solo depende de la polaridad de estos enlaces sino que también depende de su forma, o sea de la distribución geométrica de los enlaces.

El Oxígeno tiene 6 electrones en su capa de valencia y requiere 2 más para llenarla, mientras que el Hidrógeno tiene 1 electrón de valencia y requiere 1 más para llenarla. El Oxígeno comparte 2 de sus 6 electrones de valencia (1 con cada Hidrógeno) y cada uno de los dos Hidrógenos le comparte 1 electrón, de esta manera se estabilizan y forman una molécula de H2O compuesta por dos enlaces covalentes polares H-O. La diferencia de electronegatividad de cada enlace H-O es 1,4 (3,5 del O - 2,1 del H = 1,4), con corrimiento de los electrones hacia el lado del O. Como los dos átomos de Hidrógeno tienen carga positiva, se repelen y deberían posicionarse en los extremos opuestos de la molécula, aunque esto no es lo que ocurre. Debido a que el Oxígeno además tiene dos pares de electrones no compartidos, estos por repulsión de igual carga eléctrica empujan a los enlaces H-O, y se posicionan en un ángulo de 104,45º entre sí. Si se hace la suma vectorial de sus momentos polares, no se cancelan (a diferencia del CO2 en el que los enlaces C=O forman un ángulo de 180º entre sí, y sus polaridades se cancelan).
 
  
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Fuentes de información:

  • Chemical Ideas, Volumen4 (Capítulo 3.1: Chemical Bonding: Shells. páginas 37 y 38). Autor: George Burton. Publicado por: Heinemann Educational Publishers (año 2000) ISBN-10: 0-435631-209 (en inglés)
  • AS Chemistry for AQA (Module 1. Part 2: Bonding. "Polar Bonds", página 29) - Escrito por John Atkinson, Carol Hibbert - Publicado por Heinemann Educational Publishers (Año 2000). ISBN de 10 dígitos: 0-435581-34-1 (en inglés)
  • General, Organic, and Biological Chemistry. Fourth Edition (Capítulo 5.10: "Bond Polarity", página 115). Autor: H. Stephen Stoker. Publicado por Houghton Mifflin Company (año 2007). ISBN-13: 978-0-618-60606-1 (en inglés)
  • Chemical Ideas, Volumen4 (Capítulo 3.3: The shapes of molecules: Electron pair repulsions. páginas 44 a 46). Autor: George Burton. Publicado por: Heinemann Educational Publishers (año 2000) ISBN-10: 0-435631-209 (en inglés)
  • Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach (Capítulo 5: "Soil water chemistry", 5.1: "Nature of water", página 183). Autor Michael E. Essington. Publicado por CRC Press (año 2004). ISBN: 0-8493-1258-2 (en inglés)
  • Nanomedicine: Science, Business, and Impact (2.3: "Molecules of life", página 38). Autor: Michael Hehenberger. Publicado por Pan Stanford Publising (año 2016). ISBN-13: 978-981-4613-77-4
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