Geometria molecolare e polarità delle molecole

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La geometria molecolare, unitamente alla differenza di elettronegatività tra gli atomi presenti sono i fattori che determinano la polarità delle molecole.

La polarità delle molecole si verifica quando il baricentro delle cariche positive non coincide con il baricentro delle cariche negative.

Se in una molecola non vi sono legami polari, ovvero la differenza di elettronegatività tra i due atomi, è nulla la molecola è apolare.

Ad esempio la molecola Cl₂ in cui sono presenti legami apolari è anch'essa apolare. Tuttavia una molecola può avere legami polari ma essere una molecola apolare. Se i legami polari sono uniformemente ovvero simmetricamente distribuiti i dipoli si annullano reciprocamente e la molecola è apolare. Consideriamo, ad esempio, il trifluoruro di boro BF₃ in cui il legame tra il boro e ciascun atomo 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 per la molecola di acqua in cui 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.

Previsione della polarità delle molecole

Per poter prevedere se una molecola è polare si devono seguire alcune regole:

1) Scrivere la struttura di Lewis

2) Identificare ogni legame determinando se esso è polare o meno: se la differenza di elettronegatività tra gli atomi è maggiore di 0.4 il legame può essere considerato polare. Se la differenza è minore di 0.4 il legame è considerato non polare..

Invece se non vi sono legami polari la molecola è apolare

Se vi sono legami polari procediamo al punto 3)

3) Se nella molecola è presente un solo atomo centrale si esamina il suo intorno:

Se non vi sono coppie solitarie sull'atomo centrale e se sono legati ad esso elementi uguali la molecola è apolare
Se l'atomo centrale ha almeno un legame polare e si sono legati ad esso elementi diversi la molecola probabilmente è polare e a questo punto passiamo al punto 4)

4) Si determina la geometria molecolare

5) Si determina poi la simmetria della molecola seguendo i passaggi successivi:

a) Indicare i legami polari con frecce che puntano verso l'elemento più elettronegativo utilizzando la lunghezza della freccia per mostrare le polarità relative dei diversi legami ( una maggiore differenza di elettronegatività suggerisce un legame più polare che deve essere descritto da una freccia più lunga)

b) Valutare se la disposizione delle frecce è simmetrica o asimmetrica

c) Se la disposizione delle frecce è simmetrica e le frecce hanno la stessa lunghezza, la molecola è polare

d) Se le frecce hanno lunghezza diversa e se non si compensano reciprocamente la molecola è polare

e) Se la disposizione è asimmetrica la molecola è polare

Esempi svolti

1) Prevedere la polarità della molecola CO₂

La struttura di Lewis del biossido di carbonio è:

l'elettronegatività del carbonio è 2.5 mentre quella dell'ossigeno è 3.5. la differenza di elettronegatività ( 3.5 – 2.5 = 1) ci indica che i legami C-O sono polari, tuttavia la simmetria di tali legami rende la molecola non polare.

Se indichiamo i legami polari con frecce che puntano verso l'elemento più elettronegativo, tenendo conto che la lunghezza delle due frecce deve essere uguale essendo uguale la differenza di elettronegatività tra il carbonio centrale e ciascun ossigeno si ha:

O ← C → O

Le frecce si bilanciano reciprocamente sia per quanto attiene la direzione che per quanto attiene la lunghezza pertanto vi è simmetria dei legami e ciò conferma che la molecola è apolare.

2) Prevedere la polarità della molecola OF₂

La struttura di Lewis di OF₂è:

L'elettronegatività dell'ossigeno è 3.5 mentre quella del fluoro è 4.0. La differenza di elettronegatività ( 4.0 – 3.5 = 0.5) consente di prevedere che il legame O-F è polare. La geometria molecolare è di tipo tetraedrico con l'ossigeno disposto al centro del tetraedro, i due atomi di fluoro ai due vertici del tetraedro stesso e i due doppietti elettronici solitari disposti agli altri due vertici. La distribuzione dei legami polari è così asimmetrica e quindi la molecola è polare.