De ce apa este o moleculă polară?

Apa este o moleculă polară deoarece are două legături OH polare ale căror momente dipolare nu se anulează reciproc. Aceste momente dipol indică spre oxigen și se adună pentru a da moleculei un moment de dipol net.

Această polaritate este responsabilă pentru multe dintre proprietățile caracteristice ale apei, inclusiv unele dintre reactivitatea sa chimică, punctele de topire și de fierbere și capacitatea sa de a acționa ca un solvent universal pentru soluții ionici și polari, printre altele.

Cu alte cuvinte, polaritatea apei, ca și cea a oricărei alte molecule, este o consecință directă a polarității legăturilor sale, precum și a geometriei moleculare. Înțelegerea acestor două concepte și modul în care se aplică moleculei de apă va oferi o idee mai completă despre polaritatea moleculelor.

Ce este o legătură polară?

O legătură polară este un tip de legătură covalentă în care unul dintre cei doi atomi este mai electronegativ decât celălalt, astfel încât densitatea electronică a legăturii atrage mai puternic. Consecința acestui lucru este că electronii nu sunt împărțiți în mod egal. Atomul mai electronegativ capătă o sarcină negativă parțială (identificat prin δ-), în timp ce celălalt capătă o sarcină pozitivă parțială (identificat prin δ+).

Ambele sarcini parțiale sunt de mărime egală și semn opus, formând legăturile polare dipoli electrici .

Dacă doi atomi formează sau nu o legătură covalentă polară depinde de diferența dintre electronegativitățile lor. Dacă diferența este prea mare, legătura va fi ionică, dar dacă este foarte mică sau zero, va fi o legătură covalentă pură. În cele din urmă, legătura va fi covalentă polară dacă diferența este intermediară. Limitele pentru fiecare caz sunt prezentate în următorul tabel:

moment dipol

Legăturile polare sunt caracterizate de momentul dipolar. Acesta este un vector notat cu litera greacă μ (mu) care arată de-a lungul legăturii în direcția atomului mai electronegativ. Mărimea acestui vector este dată de produsul dintre mărimea sarcinii separate, care este proporțională cu diferența de electronegativități, și distanța dintre cele două sarcini, adică lungimea legăturii.

Momentul dipol este esențial pentru a înțelege de ce apa este polară, deoarece polaritatea totală a unei molecule provine din suma vectorială a tuturor momentelor sale dipol.

geometrie moleculară

Geometria unei molecule indică modul în care atomii ei sunt distribuiți în jurul unui atom central. De exemplu, în apă, atomul central este oxigenul, deci geometria moleculară indică modul în care cei doi atomi de hidrogen sunt orientați în jurul oxigenului.

Există diferite moduri de a determina geometria moleculară. Cel mai simplu este prin teoria repulsiei perechilor de electroni de valență, care afirmă că perechile de electroni care înconjoară atomul central (fie că se leagă sau perechi de electroni singuri) vor fi orientate să fie cât mai departe unul de celălalt.

După ce s-a determinat modul în care electronii sunt distribuiți în jurul atomului central, geometria este determinată uitându-se la locul în care indică legăturile (fără a ține cont de perechile singure de electroni).

După ce am înțeles aceste două concepte, să analizăm acum molecula de apă, legăturile și geometria ei:

Legăturile OH din apă sunt legături polare.

Apa are doi atomi de hidrogen legați de un atom de oxigen. Diferența de electronegativitate dintre oxigen și hidrogen este de 1,24, ceea ce o face o legătură destul de polară (vezi tabelul de mai sus). Figura de mai sus ilustrează momentul dipol al acestei legături. Trebuie luat în considerare faptul că vectorul este adesea atras pe partea laterală a legăturii pentru o vizualizare ușoară; totuși, coincide de fapt cu legătura OH, îndreptată de la nucleul de hidrogen către nucleul de oxigen.

Molecula de apă are geometrie unghiulară

În molecula de apă, atomul de oxigen este hibridizat sp ³ și este înconjurat de patru perechi de electroni (cele două perechi de legături de hidrogen și două perechi neîmpărțite). Teoria repulsiei perechilor de electroni de valență afirmă că patru perechi de electroni vor îndrepta către capetele unui tetraedru obișnuit. Cu alte cuvinte, cei doi atomi de hidrogen vor îndrepta către două dintre cele patru colțuri ale unui tetraedru, făcând din molecula de apă o moleculă unghiulară.

Unghiul dintre cele două legături ar trebui să fie un unghi tetraedric de 109,5º, dar cele două perechi singure de electroni resping electronii de legătură mai puternic, îngustând ușor unghiul. Rezultatul este că cele două legături OH din apă formează un unghi de 104,45° așa cum se arată în figura de mai sus.

Legături polare + geometrie unghiulară = moleculă polară

Este important să recunoaștem faptul că a avea legături polare nu asigură că o moleculă este polară. De fapt, dioxidul de carbon are două legături polare, dar momentele lor dipolare se anulează reciproc. Din acest motiv, molecula este nepolară.

Acest lucru nu se întâmplă cu molecula de apă, deoarece nu este liniară, ci unghiulară. Acum că avem o imagine clară a caracteristicilor moleculei de apă, putem trece la determinarea momentului dipol net al moleculei. Acest lucru se realizează prin desenarea ambelor momente dipolare deasupra moleculei și apoi efectuând adăugarea vectorului:

Adăugarea poate fi efectuată grafic, folosind metoda paralelogramului, așa cum se arată în partea dreaptă a figurii anterioare. După cum se poate observa, ambele momente dipol produc un moment dipol net îndreptat către oxigenul care trece prin centrul moleculei.

În cele din urmă, acest moment dipol net este motivul pentru care apa este o moleculă polară.