Molecule și polaritate

O legătură este polară când electronii comuni sunt atrași mai puternic de unul dintre atomi; în $\mathrm{H}-\mathrm{Cl}$, clorul poartă sarcină parțial negativă (${\delta }^{-}$), iar hidrogenul sarcină parțial pozitivă (${\delta }^{+}$). Între atomi identici, precum în $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ sau ${\mathrm{O}}_2$, legătura este nepolară. Polaritatea întregii molecule depinde și de geometrie. ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ este unghiulară, astfel că polaritățile celor două legături nu se anulează: molecula este polară. $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ are legături $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ polare, dar este liniară și simetrică; efectele lor se anulează, deci molecula este nepolară. Polaritatea determină solubilitatea: substanțele polare se dizolvă în apă, cele nepolare în solvenți nepolari.

Legătura polară. Diferența de electronegativitate $\Delta \chi$ dintre doi atomi legați arată cât de inegal este împărțită perechea comună. Cu valorile rotunjite $\chi (\mathrm{H})=2,1$, $\chi (\mathrm{C})=2,5$, $\chi (\mathrm{N})=3,0$, $\chi (\mathrm{Cl})=3,0$, $\chi (\mathrm{O})=3,5$: legătura $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ ($\Delta \chi =1,4$) este mai polară decât $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ ($0,9$), iar $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ ($0,4$) se consideră nepolară. Atomul mai electronegativ poartă ${\delta }^{-}$.

Momentul dipolar. Fiecare legătură polară este un dipol, caracterizat de un vector. Momentul dipolar al moleculei, $\vec{\mu }$, este suma vectorială a dipolilor legăturilor. Se măsoară în debye (D). Dacă suma este nulă, molecula este nepolară; dacă nu, este polară.

Geometria moleculelor (forma este dată în problemă sau se deduce din numărul de legături și de perechi neparticipante): $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ liniară, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ și $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ unghiulare, $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$ plan-triunghiulară, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ piramidală, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ tetraedrică.

Exemplu 1, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ și $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$. Ambele au formula de tip $\mathrm{A}{\mathrm{X}}_3$, dar polaritățile lor diferă.

1. În $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$, $\Delta \chi =4,0-2,0=2,0$: cele trei legături $\mathrm{B}-\mathrm{F}$ sunt polare.
2. Molecula este plană, cu unghiuri de $120^{\circ }$ între legături, iar dipolii identici se anulează reciproc: $\vec{\mu }=0$, molecula este nepolară.
3. În $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, legăturile $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ sunt polare ($\Delta \chi =0,9$), dar molecula este piramidală și are o pereche neparticipantă pe azot.
4. Dipolii nu se anulează, iar rezultanta este orientată spre azot: $\mu =1,47$ D, molecula este polară.

Exemplu 2, $\mathrm{CC}{\mathrm{l}}_4$ și $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$.

1. În $\mathrm{CC}{\mathrm{l}}_4$, legăturile $\mathrm{C}-\mathrm{Cl}$ sunt polare ($\Delta \chi =0,5$), dar molecula este tetraedrică și simetrică, deci rezultanta este zero: molecula este nepolară.
2. În $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$, unul dintre cei patru atomi legați de carbon este diferit. Dipolul legăturii $\mathrm{C}-\mathrm{Cl}$ nu este compensat de legăturile $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ (practic nepolare), deci molecula este polară.

Exemplu 3, $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. În $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, dipolii celor două legături $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ au aceeași mărime și direcții opuse, pe aceeași dreaptă, deci $\vec{\mu }=0$. În ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, unghiul $\mathrm{H}-\mathrm{O}-\mathrm{H}$ este de aproximativ $104,5^{\circ }$, dipolii nu sunt opuși, iar $\mu =1,85$ D. Polaritatea unei legături nu stabilește singură polaritatea moleculei.

Valori ale momentului dipolar (în debye): $\mathrm{HF}$ $1,82$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ $1,85$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ $1,47$, $\mathrm{HCl}$ $1,08$, iar pentru $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$, $\mathrm{CC}{\mathrm{l}}_4$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ și ${\mathrm{N}}_2$ valoarea este $0$. La moleculele diatomice heteronucleare, polaritatea moleculei coincide cu a legăturii, fiindcă există un singur dipol.

Exemplu 4, dizolvarea unui compus polar. Clorura de hidrogen este formată din molecule polare. Moleculele polare de apă se orientează cu atomul de oxigen (${\delta }^{-}$) spre hidrogenul (${\delta }^{+}$) din $\mathrm{HCl}$ și îl desprind sub formă de proton, care se leagă de apă:

1. Legătura $\mathrm{H}-\mathrm{Cl}$ este polară ($\Delta \chi =3,0-2,1=0,9$), iar perechea comună este deplasată spre clor.
2. Apa interacționează cu hidrogenul, iar legătura se rupe, perechea de electroni rămânând la clor.
3. Rezultatul este $\mathrm{HCl}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.

Soluția conduce curentul electric, deși $\mathrm{HCl}$ este covalent: ionii se formează în timpul dizolvării. Gazul $\mathrm{HCl}$ uscat și metanul nu conțin ioni și nu conduc curentul.

Polaritatea legăturii se stabilește prin electronegativitate: $\mathrm{F}>\mathrm{O}>\mathrm{N}\approx \mathrm{Cl}>\mathrm{Br}>\mathrm{C}\approx \mathrm{S}>\mathrm{H}$. În chimia școlară, legătura $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ se consideră nepolară.

Polaritatea moleculei este suma vectorială a dipolilor. O moleculă simetrică cu legături identice este nepolară:

• nepolare: $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$, $\mathrm{CC}{\mathrm{l}}_4$, $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$, ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4$, ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_2$, benzenul;
• polare: ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$, $\mathrm{CHC}{\mathrm{l}}_3$, $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$, etanolul, acetona.

Metanul și tetraclorura de carbon sunt tetraedrice și simetrice, deci $\mu =0$; la clorometan unul dintre cei patru atomi diferă, deci dipolii nu se anulează.

Izomerii geometrici au polarități diferite: trans-1,2-dicloroetena este nepolară (dipolii se anulează), iar cis-1,2-dicloroetena este polară. La fel, $1,4$-diclorobenzenul este nepolar, iar $1,2$-diclorobenzenul este polar.

Consecință: „similarul dizolvă similarul”. Substanțele polare și ionice se dizolvă în apă; substanțele nepolare (hexan, benzen, grăsimi) se dizolvă în solvenți nepolari. Apa are momentul dipolar $1,85\mathrm{D}$, iar $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ are $\mu =0$ cu toate că legăturile sunt polare.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații:

1. molecula $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ este nepolară;
2. molecula $\mathrm{CC}{\mathrm{l}}_4$ este nepolară;
3. molecula $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$ este nepolară;
4. molecula $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ este nepolară.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: primele trei molecule sunt simetrice (liniară, tetraedrică, plan-triunghiulară) și au dipolii compensați, deci 1, 2 și 3 sunt adevărate. $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ este unghiulară, dipolii nu se anulează, deci molecula este polară și afirmația 4 este falsă. Răspuns: A.

Exemplu cu solubilitatea. Iodul, ${\mathrm{I}}_2$, este nepolar. El se dizolvă puțin în apă, polară, și bine în tetraclorură de carbon sau în hexan, nepolari. Apa și uleiul formează două straturi, pentru că apa este polară, iar uleiul nepolar.

Greșeli frecvente

• Greșit: $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ este moleculă polară deoarece fiecare legătură $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ este polară.
  Corect: geometria liniară anulează dipolurile.
• Greșit: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ are o legătură polară fiindcă este gaz reactiv.
  Corect: atomii identici atrag egal perechea comună.
• Greșit: Orice moleculă cu trei atomi este unghiulară și polară.
  Corect: $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ este liniară și nepolară, iar ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ este unghiulară și polară.
• Greșit: $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3$ este nepolară deoarece legăturile $\mathrm{B}-\mathrm{F}$ sunt nepolare.
  Corect: legăturile $\mathrm{B}-\mathrm{F}$ sunt polare ($\Delta \chi =2,0$), dar molecula plană și simetrică are $\vec{\mu }=0$.

Înainte și după