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.
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