¿Qué es un momento dipolar químico?

Cuando los átomos de una molécula comparten sus electrones de forma desigual, crean lo que se llama un momento dipolar. Este fenómeno se produce cuando un átomo es más electronegativo que otro, lo que hace que ese átomo atraiga con más fuerza del par de electrones compartido, o cuando un átomo tiene un par solitario de electrones y la diferencia de electronegatividad apunta en la misma dirección.

Uno de los ejemplos más comunes es la molécula de agua, que está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Las diferencias de electronegatividad y los electrones solitarios dan al oxígeno una carga parcial negativa y a cada hidrógeno una carga parcial positiva.

Momento dipolar de enlace

El momento dipolar de enlace o momento dipolar químico, es el momento dipolar entre el único enlace de una molécula diatómica, mientras que el momento dipolar total en una molécula poliatómica es la suma vectorial de todos los dipolos de enlace. Así pues, el momento dipolar de enlace difiere del momento dipolar total en las moléculas poliatómicas. Así, el momento dipolar molecular total depende de factores como las diferencias de tamaño atómico, la hibridación de los orbitales y la dirección de los electrones del par solitario. El momento dipolar también puede ser menor cuando dos enlaces dipolares opuestos se anulan.

En química, la representación del momento dipolar se da de forma un poco diferente con el símbolo de la flecha (->). Dicho esto, el momento dipolar se representa con una flecha con una cruz (+) en un lado. El lado de la flecha denota el signo negativo, mientras que el lado cruz (+) denota el signo positivo. Aquí, la flecha indica el desplazamiento de la densidad de electrones en la molécula.

Fórmula del momento dipolar

La definición del momento dipolar puede darse como el producto de la magnitud de la carga electrónica de la molécula y la distancia internuclear entre los átomos de una molécula y viene dada por la siguiente ecuación:

Momento dipolar (μ) = Carga (Q) x Distancia de separación (d). Es decir, que (μ) = (Q) x (d)

Donde (μ) es el momento dipolar de enlace, Q es la magnitud de las cargas parciales δ⁺ y δ^–, y la distancia entre δ⁺ y δ^–.

Por otra parte, el momento dipolar se mide en unidades debye, representadas por D. Donde 1 D= 3,33564 x 10^-30 C x m. Aquí C = Coulomb y m = metro.

Ejemplo de cómo calcular un momento dipolar

Para este ejemplo, usaremos la molécula de agua, que puede utilizarse para determinar la dirección y la magnitud del momento dipolar. Según las electronegatividades del oxígeno y del hidrógeno, la diferencia es de 1.2e para cada uno de los enlaces hidrógeno-oxígeno. Entonces, al ser el oxígeno el átomo más electronegativo, tiene una mayor atracción por los electrones compartidos; también tiene dos pares solitarios de electrones. Por tanto, podemos concluir que el momento dipolar está entre los dos átomos de hidrógeno y el átomo de oxígeno.

Utilizando la ecuación anterior, se calcula que el momento dipolar es de 1.84 D multiplicando la distancia entre los átomos de oxígeno e hidrógeno por la diferencia de carga entre ellos, y luego encontrando las componentes de cada uno que apuntan en la dirección del momento dipolar neto (el ángulo de la molécula es de 104.5˚).

El momento de unión del enlace O-H es de 1.5 D, por lo que el momento dipolar neto es:

(μ)= 2(1.5) cos (104.5˚/2) = 1.84D

Usos del momento dipolar

1. Para encontrar la naturaleza polar del enlace. A medida que la magnitud del momento dipolar aumenta, también lo hace la naturaleza polar del enlace. Las moléculas con momento dipolar cero son no polares, mientras que las moléculas con momento dipolar se consideran polares.
2. Para encontrar la estructura (forma) de las moléculas. Las moléculas con valores específicos de momento dipolar tendrán una forma curva o angular y no tendrán una estructura simétrica, mientras que las moléculas con momento dipolar cero tendrán una forma simétrica. 
3. Para determinar el porcentaje de carácter iónico de un enlace. Este porcentajees la cantidad de electrones compartidos entre dos átomos, donde un reparto limitado de electrones corresponde a un alto porcentaje de carácter iónico. Para determinar el porcentaje de carácter iónico de un enlace, se utilizan las electronegatividades de los átomos para predecir el reparto de electrones entre ellos.
4. Para encontrar la simetría de las moléculas. Las moléculas con dos o más enlaces polares no son simétricas y tienen un determinado momento dipolar. Ejemplo: H₂O = 1.84D y CH₃CI (cloruro de metilo) = 1.86D. Si los átomos similares de la molécula están unidos al átomo central con un momento dipolar resultante de cero, entonces tales moléculas tendrán estructuras simétricas. Ejemplo: CO₂ (dióxido de carbono) y CH₄ (metano).
5. Para distinguir entre isómeros cis y trans. En general, el isómero con mayor momento dipolar es el isómero trans y el isómero con menor momento dipolar es el isómero cis.
6. Para distinguir entre orto, meta y para isómeros. El para isómero tendrá un momento dipolar nulo, mientras que el orto-isómero tendrá un momento dipolar mayor que el meta-isómero.

Referencias

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/InteraccionesNC/dipolares/dipolar1.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/dipole.html

Física y Química 2º de Bachillerato. Editorial Santillana (España) – Serie INVESTIGA, 2021. Varios autores