Descrivere come dedurre la polarità delle molecole dalla geometria
molecolare.
In chimica, la Polarità è una proprietà delle molecole, per cui una molecola (detta Polare) presenta
una parziale carica positiva su una parte della molecola e una parziale carica negativa su un’altra
parte opposta alla molecola. Le molecole che non presentano il fenomeno della polarità, sono dette
apolari o non polari.
La conoscenza della struttura molecolare è essenziale per comprendere il suo comportamento
chimico-fisico. Uno degli effetti più importanti è appunto quello della polarità molecolare. Quando
atomi con diversa elettronegatività formano un legame, la coppia di legame viene condivisa in
modo disuguale, pertanto il legame ha un polo parzialmente negativo e uno parzialmente positivo.
Questo legame si ottiene a causa del fatto che il baricentro delle cariche negative non coincide con
quello delle cariche positive e ciò implica la formazione di una polarità di legame.
Una molecola con legami polari non è sempre polare. La polarità di una molecola dipende infatti ,
oltre che dalla polarità dei legami, dalla sua geometria, grazie alla quale le polarità dei legami,
simmetricamente o asimmetricamente distribuiti, possono annullarsi a vicenda oppure sommarsi.
Per determinare la geometria molecolare è necessario calcolare il valore del numero sterico
NS sommando il numero di atomi (X) legati all'atomo centrale (A) e il numero di coppie di elettroni
libere presenti sull'atomo centrale. In base a questo valore è possibile prevedere la geometria della
molecola. Ogni molecola potrà essere rappresentata con la formula generica AXmEn in cui A
rappresenta l'atomo centrale, X il numero di atomi legati all'atomo centrale ed E le coppie di
elettroni solitarie presenti sull' atomo centrale.
Supponendo che gli atomi X legati all'atomo centrale A siano identici e che il legame tra A e X sia
di tipo covalente polare, è possibile prevedere, in base alla formula generica AXmEn la polarità
della molecola:
NS = 2
X—A—X
(molecola non polare)
NS = 3
(molecola non polare)
(molecola polare)
NS = 4
(molecola non polare)
(molecola polare)
(molecola polare)
Ogni legame covalente polare costituisce un dipolo. Un dipolo è un sistema che ha due poli elettrici
di segno opposto, separati da una certa distanza d. Un dipolo elettrico è caratterizzato da un
momento dipolare μ, definito dal prodotto μ = q x d. Il momento dipolare è una grandezza
vettoriale e viene rappresentato con una freccia orientata verso l’atomo più elettronegativo ed è
tanto maggiore quanto maggiore è la carica q dei due poli e quanto maggiore è la loro distanza.
Pertanto, possiamo anche rappresentare i legami polari con queste grandezze vettoriali che puntano
nella direzione del polo negativo e hanno un segno + sul polo positivo. Se invece, i vettori puntano
esattamente verso direzioni opposte come nel CO2, i momenti di dipolo si annullano. Nell’acqua,
invece, i due dipoli di legame puntano in direzione dell’atomo di ossigeno. Il risultato è che si
sommano per dare un momento dipolare netto della molecola, come illustrato:
Se immaginiamo ogni legame come una corda che tira a partire dall’atomo centrale di ossigeno,
vediamo che, a causa dell’angolo che esiste tra i due legami, le forze esercitate dalle due corde non
si annullano. L’acqua, è di conseguenza una molecola polare. Lo stesso avviene nell’ammoniaca, in
cui i tre dipoli di legame puntano tutti in direzione dell’azoto e si sommano rendendo polare la
molecola:
Dipoli di legame
Dipoli di legame
Consideriamo, ad esempio, il trifluoruro di boro (BF3) in cui il legame tra il boro e ciascun atomo
di di fluoro è polare a causa della differenza di elettronegatività tra i due atomi.
La geometria molecolare, di tipo planare con angoli di 120°, tuttavia, suggerisce una simmetria
rispetto all’atomo di boro e pertanto la molecola risulta apolare.
Viceversa nella molecola d’acqua i legami ossigeno-idrogeno sono polari; stante la sua geometria
molecolare di tipo tetraedrico in cui l’ossigeno si trova al centro del tetraedro, i due idrogeno situati
ai vertici e i due doppietti elettronici dell’ossigeno ad altri due vertici, suggerisce una distribuzione
asimmetrica della densità di carica elettrica e pertanto la molecola è polare.
E’ confermata allora la possibilità di usare la simmetria come utile guida per determinare se una
molecola contenente legami polari è veramente polare. Le molecole altamente simmetriche tendono
a essere non polari, anche se presentano legami polari, poiché i momenti di dipolo dei legami
tendono ad annullarsi. Le molecole asimmetriche contenenti legami polari tendono, invece, a essere
polari perché i momenti di dipolo dei legami non sempre si annullano. Tutte le forme geometriche
di base sono «bilanciate» o simmetriche quando gli atomi periferici sono identici fra loro. Se,
invece, l’atomo centrale è legato ad atomi diversi fra loro o presenta domini di non legame, la
molecola è generalmente polare. Per esempio, in CHCl3 uno degli atomi della struttura tetraedrica è
diverso dagli altri. Il legame C-H ha una polarità diversa rispetto ai legami C-Cl e i dipoli non si
annullano. Una struttura «sbilanciata» come questa si dice asimmetrica.
Dunque, come fin’ora dimostrato, una molecola polare è una molecola caratterizzata da un numero
di dipolo elettrico permanente. Sono polari tutte le molecole biatomiche se sono polari i loro
legami. Una molecola HCl, con il suo legame covalente polare ( δ+H--Cl δ—), è polare anch’essa, e
il suo momento di dipolo 1,1 D è tipico delle molecole biatomiche polari. Tutte le molecole
biatomiche costituite da atomi di elementi differenti sono almeno lievemente polari. Come emerge
dal confronto tra CO2 e H2O, la geometria della molecola poliatomica incide sulle proprietà polari, e
questa affermazione è valida anche per le molecole più complesse.
STIMARE UNA PROCEDURA PER LA PREVISIONE DELLA POLARITA’ DELLE
MOLECOLE
Di conseguenza a quanto appena detto, possiamo asserire la possibilità di stabilire una procedura
per la previsione della polarità delle molecole, iniziando con la rappresentazione della formula di
Lewis della molecola. Passare successivamente all’identificazione di ciascun legame del carattere
polare (DE > 0,4 < 1,5 tra gli atomi ) o del carattere non polare (DE < 0,4 tra gli atomi): se non ci
sono legami polari la MOLECOLA E’ NON POLARE; se c’è un solo atomo centrale, si esaminano
gli elettroni che lo circondano. Se ci sono coppie di elettroni di non legame sull’atomo centrale e se
tutti i legami dell’atomo centrale sono uguali, la molecola è non polare, se invece, l’atomo centrale
ha almeno una coppia di elettroni di non legame e se gli atomi o i gruppi legati all’atomo centrale
non sono tutti uguali, con elevata possibilità la molecola è polare. A questo punto, determinato ciò,
si passa alla rappresentazione della geometria della molecola, al seguito del quale possiamo
determinare la simmetria della molecola usando determinati criteri: si rappresentano i legami polari
con una freccia vettoriale puntata verso l’atomo più elettronegativo, con una lunghezza
proporzionale alle polarità relative dei differenti legami, e si valuta se la disposizione delle frecce è
simmetrica o asimmetrica: se la disposizione è simmetrica e le frecce sono di uguale lunghezza, la
molecola non è polare, se invece la disposizione è asimmetrica e le frecce sono di differente
lunghezza e non si bilanciano tra loro, la molecola è polare.
ESEMPI: Adottando la procedura appena illustrata prevediamo la polarità di:
1-CO2:
2- H2O:
3- CCl4 :
4- CFCL3 :
5- CH2Cl2 :
POLARITA’ DELLE MOLECOLE: tutti i legami in queste molecole sono polari, come indicato
dal simbolo
, in cui la freccia punta verso l’estremità più negativa del legame e + indica
l’estremità più positiva. BeF2 e CCl4 i dipoli di legame si annullano reciprocamente e le molecole
sono apolari. In H2O e CHCl3 le molecole sono polari con dipoli risultanti indicati dalle frecce
laterali grandi che puntano verso i poli negativi.