Perché l’acqua è una molecola polare?

L’acqua è una molecola polare perché ha due legami OH polari i cui momenti di dipolo non si annullano a vicenda. Questi momenti di dipolo puntano verso l’ossigeno e si sommano per dare alla molecola un momento di dipolo netto.

Questa polarità è responsabile di molte delle proprietà caratteristiche dell’acqua, tra cui alcune delle sue reattività chimiche, i suoi punti di fusione e di ebollizione e la sua capacità di agire come solvente universale per soluti ionici e polari, tra gli altri.

In altre parole, la polarità dell’acqua, come quella di qualsiasi altra molecola, è una diretta conseguenza della polarità dei suoi legami, oltre che della geometria molecolare. Comprendere questi due concetti e come si applicano alla molecola dell’acqua darà un’idea più completa della polarità delle molecole.

Cos’è un legame polare?

Un legame polare è un tipo di legame covalente in cui uno dei due atomi è più elettronegativo dell’altro, quindi la densità elettronica del legame si attrae maggiormente. La conseguenza di ciò è che gli elettroni non sono condivisi equamente. L’atomo più elettronegativo acquista una parziale carica negativa (identificata con δ-), mentre l’altro acquista una parziale carica positiva (identificata con δ+).

Entrambe le cariche parziali sono di uguale grandezza e segno opposto, rendendo i legami polari dipoli elettrici .

Il fatto che due atomi formino o meno un legame covalente polare dipende dalla differenza tra le loro elettronegatività. Se la differenza è troppo grande, il legame sarà ionico, ma se è molto piccola o nulla, sarà un legame covalente puro. Infine, il legame sarà covalente polare se la differenza è intermedia. I limiti per ciascun caso sono presentati nella tabella seguente:

momento dipolare

I legami polari sono caratterizzati dal momento di dipolo. Questo è un vettore indicato dalla lettera greca μ (mu) che punta lungo il legame nella direzione dell’atomo più elettronegativo. La grandezza di questo vettore è data dal prodotto della grandezza della carica separata, che è proporzionale alla differenza di elettronegatività, e la distanza tra le due cariche, cioè la lunghezza del legame.

Il momento di dipolo è essenziale per capire perché l’acqua è polare, poiché la polarità totale di una molecola deriva dalla somma vettoriale di tutti i suoi momenti di dipolo.

geometria molecolare

La geometria di una molecola indica il modo in cui i suoi atomi sono distribuiti attorno a un atomo centrale. Ad esempio, nell’acqua, l’atomo centrale è l’ossigeno, quindi la geometria molecolare indica come i due atomi di idrogeno sono orientati attorno all’ossigeno.

Esistono diversi modi per determinare la geometria molecolare. Il più semplice è attraverso la teoria della repulsione delle coppie di elettroni di valenza, che afferma che le coppie di elettroni che circondano l’atomo centrale (sia coppie di elettroni di legame che libere) saranno orientate per essere il più lontano possibile l’una dall’altra.

Dopo aver determinato come gli elettroni sono distribuiti attorno all’atomo centrale, la geometria viene determinata osservando dove puntano i legami (senza tenere conto delle coppie solitarie di elettroni).

Compresi questi due concetti, analizziamo ora la molecola dell’acqua, i suoi legami e la sua geometria:

I legami OH in acqua sono legami polari.

L’acqua ha due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno. La differenza di elettronegatività tra ossigeno e idrogeno è 1,24, rendendolo un legame abbastanza polare (vedi tabella sopra). La figura sopra illustra il momento di dipolo di questo legame. Si noti che il vettore è spesso disegnato a lato del collegamento per facilitarne la visualizzazione; tuttavia, in realtà coincide con il legame OH, puntando dal nucleo di idrogeno verso il nucleo di ossigeno.

La molecola d’acqua ha una geometria angolare

Nella molecola dell’acqua, l’atomo di ossigeno è ibridato sp ³ ed è circondato da quattro coppie di elettroni (le due coppie di legame idrogeno e le due coppie non condivise). La teoria della repulsione della coppia di elettroni di valenza afferma che quattro coppie di elettroni punteranno verso le estremità di un tetraedro regolare. In altre parole, i due atomi di idrogeno punteranno verso due dei quattro angoli di un tetraedro, rendendo la molecola d’acqua una molecola angolare.

L’angolo tra i due legami dovrebbe essere un angolo tetraedrico di 109,5º, ma le due coppie solitarie di elettroni respingono più fortemente gli elettroni di legame, restringendo leggermente l’angolo. Il risultato è che i due legami OH in acqua formano un angolo di 104,45º come mostrato nella figura sopra.

Legami polari + geometria angolare = molecola polare

È importante riconoscere il fatto che avere legami polari non garantisce che una molecola sia polare. Infatti, l’anidride carbonica ha due legami polari, ma i loro momenti di dipolo si annullano a vicenda. Per questo motivo, la molecola è apolare.

Questo non accade con la molecola d’acqua, poiché non è lineare ma angolare. Ora che abbiamo un quadro chiaro delle caratteristiche della molecola d’acqua, possiamo passare alla determinazione del momento di dipolo netto della molecola. Questo viene fatto disegnando entrambi i momenti di dipolo sopra la molecola, e quindi eseguendo l’addizione vettoriale:

L’addizione può essere effettuata graficamente, utilizzando il metodo del parallelogramma, come mostrato nella parte destra della figura precedente. Come si può vedere, entrambi i momenti di dipolo producono un momento di dipolo netto che punta verso l’ossigeno che passa attraverso il centro della molecola.

In definitiva, questo momento di dipolo netto è il motivo per cui l’acqua è una molecola polare.