MOLECULAS POLARES Y NO POLARES Introducción Existen dos tipos de moléculas las moléculas polares las moléculas no polares! Las moléculas polares son a"uellas en las "ue no coincide el centro de distri#ución de car$as positi%as el de las ne$ati%as& el e'emplo m(s si$ni)icati%o es el a$ua! Los iones *idró$eno iones *idró$eno no no est(n alineados dispuestos simétricamente a uno otro lado del ión ox+$eno& ox+$eno& sino "ue tienen una disposición trian$ular! Las moléculas no polares son a"uellas en las "ue coincide el centro de distri#ución de las car$as positi%as ne$ati%as! Las moléculas de ox+$eno& nitró$eno& compuestas por dos (tomos i$uales pertenecen a esta cate$or+a! Las moléculas polares #a'o la acción la acción de un campo eléctrico experimentan eléctrico experimentan un par de )uer,as "ue tienden a orientarlas en el sentido del campo! Las moléculas no polares& se *acen polares en presencia de un campo eléctrico& a "ue las )uer,as so#re cada tipo de car$a son i$uales de sentido contrario! En el interior de una molécula las uniones entre los (tomos "ue la constituen son de tipo co%alente & por lo tanto& di)+cil de separar unos de otros! Sin em#ar$o& entre dos o m(s moléculas tam#ién pueden producirse interacciones! Estas interacciones de car(cter de car(cter electrost(tico se conocen& de )orma $enérica& como "fuerzas son las responsa#les de "ue cual"uier sustancia& incluidos los $ases intermoleculares" no#les& puedan condensar! Estas )uer,as se clasi)ican en dos t ipos #(sicos- Las )uer,as de .an /er 0aals los enlaces por puente de *idró$eno! El enlace co%alente aparece& $eneralmente& en moléculas discretas 1con un n2mero determinado de (tomos3 & tam#ién& se da en los llamados sólidos atómicos 1o cristales co%alentes3! Las dos teor+as cu(nticas "ue a#ordan la )ormación de este tipo de enlace son la 4eor+a del enlace de %alencia 14E.3 la 4eor+a de or#itales moleculares 14OM3! /urante este curso se estudiar( principalmente el primero de ellos! Explica como se )orman los enlaces co%alentes no polares polares Enlace Co%alentes, Co%alentes, El se$undo maor tipo de enlace atómico ocurre cuando los (tomos comparten electrones! Al contrario de los enlaces iónicos en los cuales ocurre una trans)erencia completa de electrones& el enlace co%alente ocurre cuando dos 1o m(s3 elementos comparten electrones! El enlace co%alente ocurre por"ue los (tomos en el compuesto tienen una tendencia similar *acia los electrones 1$eneralmente para $anar electrones3! Esto ocurre com2nmente cuando dos no metales metales se se enla,an! Ya "ue nin$uno de los no elementos "ue participan en el enlace "uerr(n $anar electrones& estos elementos compartir(n electrones para poder llenar llenar sus en%olturas de %alencia! Un #uen e'emplo de un enlace co%alente es ese "ue ocurre entre dos (tomos de *idró$eno! Los (tomos de *idró$eno 153 tienen un electrón de %alencia en su primera en%oltura! Puesto "ue la capacidad de esta en%oltura es de dos electrones& cada (tomo *idró$eno 6"uerr(6 reco$er un se$undo electrón! En un es)uer,o por reco$er un se$undo electrón& el (tomo de *idró$eno reaccionar( con (tomos 5 %ecinos para )ormar el compuesto 5 7! Ya "ue el compuesto de *idró$eno es una com#inación de (tomos i$ualados& los (tomos compartir(n cada uno de sus electrones indi%iduales& )ormando as+ un enlace co%alente! /e esta manera& am#os (tomos comparten la esta#ilidad de una en%oltura de %alencia!
Enlaces Polares No8Polares& En realidad& *a dos su#tipos de enlaces co%alentes! La molécula 57 es un #uen e'emplo del primer tipo de enlace co%alente el enlace no polar! Ya "ue am#os (tomos en la molécula 57 tienen una i$ual atracción 1o a)inidad3 *acia los electrones& los electrones "ue se enla,an son i$ualmente compartidos por los dos(tomos& se )orma un enlace co%alente no polar! Siempre "ue dos (tomos del mismo elemento se enla,an& se )orma un enlace no polar! Un enlace polar se )orma cuando los electrones son desi$ualmente compartidos entre dos (tomos! Los enlaces polares co%alentes ocurren por"ue un (tomo tiene una maor a)inidad *acia los electrones "ue el otro 1sin em#ar$o& no tanta como para empu'ar completamente los electrones )ormar un ión3! En un enlace polar co%alente& los electrones "ue se enla,an pasar(n un maor tiempo alrededor del (tomo "ue tiene la maor a)inidad *acia los electrones! Un #uen e'emplo del enlace polar co%alente es el enlace *idró$eno 8 ox+$eno en la molécula de a$ua! Molecule857O spanis* caption7 Las moléculas de a$ua contienen dos (tomos de *idró$eno 1di#u'ados en ro'o3 enla,ados a un (tomo de ox+$eno 1en a,ul3! El ox+$eno& con seis electrones de %alencia& necesita dos electrones adicionales para completar su en%oltura de %alencia! Cada *idró$eno contiene un electrón! Por consi$uiente el ox+$eno comparte los electrones de dos (tomos de *idró$eno para completar su propia en%oltura de %alencia& en cam#io& comparte dos de sus propios electrones con cada *idró$eno& completando la en%oltura de %alencia 5! 1.
¿Qué es polaridad y momento dipolar? La polaridad química o sólo polaridad- es una propiedad de las "u+micas )+sicas como la punto de )usión& punto de e#ullición& )uer,a intermolecular& etc! Al )ormarse una molécula de )orma co%alente el par de electrones tiende a despla,arse *acia el (tomo "ue tiene maor car$a nuclear 1m(s n2mero de protones3! Esto ori$ina una densidad de car$a desi$ual entre los n2cleos "ue )orman el enlace 1se )orma un dipolo eléctrico3! El enlace es m(s polar cuanto maor sea la di)erencia entre electrone$ati%idades de los (tomos "ue se enla,an9 as+ pues dos (tomos i$uales atraer(n al par de electrones co%alente con la misma )uer,a 1esta#lecida por la Le de Coulom#3 los electrones permanecer(n en el centro *aciendo "ue el enlace sea apolar! Pero un enlace polar no re"uiere siempre una molécula polar& para a%eri$uar si una molécula es polar *a "ue atender a la cantidad de enlaces polares la estructura de la molécula! Para ello es necesario determinar un par(metro )+sico llamado momento dipolar eléctrico del producto de la car$a " por la distancia "ue las separa d& cua dirección es la recta "ue las une& cuo sentido %a de la car$a ne$ati%a a la positi%a! Esta ma$nitud es& por tanto& un %ector9 la polaridad ser( la suma %ectorial de los momentos dipolares de los enlaces! /e esta manera una molécula "ue sólo contiene enlaces apolares es siempre apolar& a "ue los momentos dipolares de sus enlaces son nulos! En moléculas diatómicas son apolares las moléculas )ormadas por un solo elemento o elementos con di)erencia de electrone$ati%idad mu reducida! Ser(n tam#ién apolares las moléculas simétricas por el mismo moti%o! El a$ua& por e'emplo& es una molécula )uertemente polar a "ue los momentos dipolares de los enlaces dispuestos en . se suman o)reciendo una densidad de car$a ne$ati%a en el ox+$eno de'ando los *idró$enos casi sin electrones! La polaridad es una caracter+stica mu importante a "ue puede audarnos a reconocer moléculas 1por e'emplo a di)erenciar el trans8dicloroetano "ue es apolar el cis8dicloroetano "ue es )uertemente polar3! 4am#ién es importante en disoluciones a "ue un disol%ente polar solo disuel%e otras sustancias polares un disol%ente apolar solo disuel%e sustancias apolares 1:Seme'ante disuel%e a seme'ante:3! Por 2ltimo la polaridad in)lue en el estado de a$re$ación de las sustancias as+ como en termodin(mica & a "ue las moléculas polares o)recen )uer,as intermoleculares 1llamadas )uer,as de atracción dipolo8dipolo3 adem(s de las )uer,as de dispersión o )uer,a de London!
Momento dipolar: Se de)ine como momento dipolar "u+mico 1;3 a la medida de la intensidad de la )uer,a de atracción entre dos (tomos& es la expresión de la asimetr+a de la car$a eléctrica! Est( de)inido como el producto entre la distancia d "ue separa a las car$as 1lon$itud del enlace3 el %alor de las car$as i$uales opuestas en un enlace "u+mico-
Usualmente se encuentra expresado en /e#ies 1< / = < A ! < ues3! El %alor de " puede interpretarse como el $rado de compartición de la car$a& es decir& se$2n las di)erencias de electrone$ati%idad& "ue porcenta'e 1<>>"3 de la car$a compartida por el enlace co%alente est( despla,ada *acia la car$a en cuestión! /ic*o de otro modo& " representa "ue parte de < electrón est( siendo :sentida: de m(s o de menos por las car$as en cuestión! 2.
¿Qué es el efecto inductio? En car$a a tra%és de una cadena de (tomos en una electrost(tica 1principalmente& de)inición de la IUPAC3 o por la presencia de un medio polar 1e! i! din(mico3! El e)ecto polar neto e'ercido por un sustituente es una com#inación de este e)ecto inducti%o el e)ecto mesomérico! !. ¿Qué es una molécula polar? Es polar a"uella distri#ución de las car(cter dipolar de ciertas moléculas depende de la presencia de enlaces polares en su estructura& aun"ue pueden existir moléculas con enlaces polares pero "ue sin em#ar$o no ten$an momento dipolar neto de#ido a una distri#ución simétrica de las car$as& caso del metano! Es necesaria cierta asimetr+a para "ue los componentes de los momentos dipolares $eneradas en cada uno de los enlaces polares no se cancelen por ende exista polaridad! El car(cter polar de una molécula& es medido por el momento dipolar & el cual es i$ual a la suma de cada uno de los momentos dipolares ori$inados en cada uno de los enlaces polares de la molécula! Las moléculas polares se disuel%en )(cilmente en disol%entes polares no lo *acen sin em#ar$o en disol%entes no polares! El disol%ente polar por excelencia es el a$ua& as+ "ue las sustancias polares son *idrosolu#les o *idró)ilas& mientras las no polares son *idró)o#as! La polaridad eléctrica es un )actor esencial de la or$ani,ación de las moléculas #ioló$icas en estructuras supramoleculares& como las mem#ranas de #icapa& estructuradas por moléculas de l+pidos "ue tienen una parte polar otra no polar 1moléculas an)ip(ticas3! ". #unto de e$ullici%n y fusi%n de las moléculas polares y no polares El punto de e$ullici%n de un temperatura "ue de#e alcan,ar éste para pasar del estado l+"uido al estado proceso in%erso se denomina punto de condensación! La de)inición exacta del punto de e#ullición es la temperatura a la cual la presión atmos)érica! Por e'emplo& a ni%el del mar la presión atmos)érica es de < atm! o ?@> mm5$& el punto de e#ullición del a$ua a esta presión ser( de <>>C por"ue a esa temperatura la presión de %apor alcan,a una presión de < atm! La temperatura de una sustancia o cuerpo es una medida de la moléculas! A temperaturas in)eriores al punto de e#ullición& sólo una pe"ueBa )racción de las moléculas en la super)icie tiene ener$+a su)iciente para romper la tensión super)icial escapar! Al lle$ar al punto de e#ullición la maor+a de las moléculas es capa, de escapar desde todas partes del cuerpo& no solo la super)icie! Sin em#ar$o& para la creación de #ur#u'as en todo el %olumen del l+"uido se necesitan imper)ecciones o mo%imiento& precisamente por el )enómeno de la tensión super)icial!
La temperatura se mantiene constante durante todo el proceso de e#ullición& el aporte de m(s ener$+a sólo produce "ue aumente el n2mero de moléculas "ue escapan del l+"uido! Este *ec*o se apro%ec*a en la de)inición de la escala de temperatura en $rados cent+$rados! Un l+"uido puede calentarse pasado su punto de e#ullición! En ese caso se dice "ue es un l+"uido so#recalentado! En un l+"uido s2percalentado& una pe"ueBa pertur#ación pro%ocar( una e#ullición explosi%a! Esto puede ocurrir& por e'emplo& al calentar a$ua en un recipiente liso 1por e'emplo microondas! Al ec*ar a,2car en esta a$ua so#recalentada& el contenido completo puede e#ullir en la cara del usuario& causando "uemaduras! El punto de e#ullición depende de la masa molecular de la sustancia de el tipo de las )uer,as intermoleculares de esta sustancia! Para ello se de#e determinar si la sustancia es co%alente polar& co%alente no polar& determinar el tipo de enlaces 1dipolo inducido 8 puentes de *idró$eno3 En el a$ua& el punto de e#ullición se alcan,a cuando la presión atmos)érica se i$uala a la presión de %apor& $enerando e#ullición &l punto de fusi%n es la estado sólido el e"uili#rio térmico& a una presión de < atmós)era! Por lo tanto& el punto de )usión no es el pasaje sino el punto de equilibrio entre los estados sólido l+"uido de una sustancia dada! Al pasaje se lo conoce como derretimiento! En la maor+a de las sustancias& el punto de )usión de con$elación& son i$uales! Pero esto no siempre es as+- por e'emplo& el a$ar se derrite a los D C 1<D 3 se solidi)ica a partir de los F< C a G> C 1?! a <>G 39 este proceso se conoce como *istéresis! '. Que son fuer(a de )an *er +aals Las fuer(as de )an *er +aals son )uer,as de esta#ili,ación enlace "u+mico no co%alente en el "ue participan dos tipos de )uer,as o interacciones& las )uer,as de dispersi%n 1"ue son )uer,as de atracción3 las )uer,as de repulsi%n entre las capas electrónicas de 7 (tomos conti$uos! a -uer(as de dispersi%n 4odos los dipolos de#idos al $iro de los torno al n2cleo 1%éase (tomo3! La presencia de este dipolo transitorio *ace "ue los (tomos conti$uos tam#ién se polaricen& de tal manera "ue se producen pe"ueBas )uer,as de atracción electrost(tica entre los dipolos "ue )orman todos los (tomos! Lo "ue se denomina la relación dipolo instant(neo 8 dipolo inducido!
$! epulsi%n electrost/tica A estas )uer,as de dispersión se opone la repulsión electrost(tica entre las capas electrónicas de dos (tomos conti$uos! La resultante de estas )uer,as opuestas es una distancia m+nima permitida entre los n2cleos de dos (tomos conti$uos! /istancia "ue se conoce como radio de an der +aals! Es ésta una )uer,a mu importante en #iolo$+a& por"ue es uno de los enlaces no co%alentes "ue esta#ili,an la con)ormación de las prote+nas! La ener0ía del enlace de %an der 0aals es de < a 7 Hcalmol! Las )uer,as de %an der 0aals con)orman el tipo m(s dé#il de )uer,a intermolecular "ue puede darse en la naturale,a& necesit(ndose un aporte ener$ético de >&< a FD HJmol para romper dic*a interacción! /istin$uimos tres clases de enlace de %an der 0aals•
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Orientación- interacción dipolo permanente8dipolo permanente! 4ienen lu$ar entre moléculas polares como el 5Cl por e'emplo& produciéndose una atracción eléctrica entre polos opuestos de moléculas conti$uas& pero no as+ el solapamiento de los (tomos interactuantes al ser de maor tamaBo "ue en el puente de *idró$eno! 1Recordemos "ue el solapamiento sólo se produce en el enlace de *idró$eno& donde el N& el O el son especies m(s pe"ueBas3! Cuanto maor sea la polaridad de la molécula 1di)erencia de electrone$ati%idad entre los (tomos "ue la )orman3& m(s )uerte ser( la interacción! Inducción- interacción dipolo permanente8dipolo inducido! Se produce entre una molécula polar otra apolar! En este tipo de interacción& el dipolo permanente de la molécula polar pro%oca una de)ormación en la nu#e electrónica de la molécula apolar "ue se aproxima 1el polo ne$ati%o de la molécula polar induce el despla,amiento de lo electrones de la molécula polar *acia el polo opuesto& apareciendo un dipolo3! /e este modo& se esta#lece una atracción eléctrica entre polos opuestos!
Este tipo de enlace tam#ién se conoce como polari,ación& siendo tanto m(s intenso cuanto maor sea la polari,ación de la molécula apolar! La intensidad de este )enómeno depender( de la maor o menor polaridad 1di)erencia de electrone$ati%idad entre los (tomos "ue )orman la molécula polari,ante9 la polar3 as+ como del tamaBo de la molécula polari,ada 1a maor n2mero de electrones& m(s desi$ualdad de disposición puede existir3! •
/ispersión 1uer,as de London3- dipolo instant(neo8dipolo instant(neo! Aparecen en todos los compuestos moleculares& siendo la 2nica )uer,a intermolecular "ue aparece entre moléculas apolares! Se produce por la aparición de una distri#ución asimétrica de la car$a en una molécula 1dado el mo%imiento continuo de los electrones3! Este )enómeno induce la aparición de un dipolo instant(neo en la molécula "ue se aproxima& esta#leciéndose una interacción mu dé#il e instant(nea!
La intensidad de esta interacción depende del tamaBo de la molécula 1a maor n2mero de electrones& maor posi#ilidad de la aparición de un dipolo instant(neo3! . -ormaci%n de puentes de idro0eno Los puentes de *idró$eno son enlaces dé#iles "ue atraen moléculas de a$ua una con otra o con otros $rupos! Un e)ecto de la polaridad es la )ormación de puentes de *idró$eno& enlaces dé#iles entre (tomos polari,ados positi%a ne$ati%amente en di)erentes moléculas! El a$ua es mu polar& las moléculas de a$ua )orman puentes de *idró$eno con muc*as moléculas #ioló$icas& d(ndoles& dando como resultado la solu#ilidad!
Los puentes de *idró$eno $eneralmente se producen por la atracción electrost(tica entre (tomos electrone$ati%os 1como el O o el N3 un (tomo de *idró$eno est( unido co%alentemente a un se$undo (tomo electrone$ati%o 1como el O o el N3! Por e'emplo-
8O85
O85 1a$ua 8 atracción del a$ua3
8N85
O=C8 1en aun prote+na3
8O85
O=C 1entre el a$ua el a,2car 3
Los puentes de *idró$eno en los e'emplos de arri#a& est(n indicados por lineas de puntos! No todas las %alencias son mostradas
La animación muestra a moléculas de a$ua su *a#ilidad para )ormar puentes de *idró$eno!
3.
¿Qué es solataci%n? 4omo es el proceso de disoler una sustancia polar en un solente polar
Solataci%n La solataci%n es el proceso de interacción entre las moléculas de un sol%ente las de un soluto )ormando a$re$ados! Al$unos de estos a$re$ados son esta#les tienen un n2mero determinado de moléculas de sol%ente otras no! Soluciones en agua Cuando el sol%ente es el a$ua& al proceso se le llama *idratación! Cual"uier soluto co%alente polar puede interactuar con sol%entes polares! Cuando un cristal de un compuesto iónico como el )uer,a de atracción entre las moléculas de a$ua los iones super)iciales del cloruro de sodio es su)icientemente intensa para causar "ue los iones a#andonen sus posiciones en el cristal "ue se mue%an a situarse entre moléculas de a$ua& a tal proceso se le llama sol%atación de am#os iones! La naturale,a polar de las moléculas de a$ua es importante cuando se usa como sol%ente! El a$ua disuel%e con )acilidad a muc*os compuestos iónicos de#ido a la *idratación de los iones! Un ion *idratado es un a$re$ado )ormado por un ion una o m(s moléculas de a$ua!
&5emplo:
6tros e5emplos de idratos son: •
cloruro de ma$nesio1II3 *exa*idratado!
•
sul)ato de co#re1II3 penta*idratado!
•
sul)ato de calcio di*idratado o eso!
El sul)ato de co#re1II3 penta*idratado de color a,ul& al calentarlo se des*idrata )ormando el sul)ato de co#re1II3 an*+dro "ue es color #lanco! Unión POLAR En este tipo de unión "u+mica& las moléculas presentan una distri#ución NO UNIORME de car$a eléctrica! 58Cl Los dos (tomos comparten un par de electrones& pero como sus electrone$ati%idades son di)erentes 1cloro= F& *idró$eno= 7&<3 el par electrónico est( desi$ualmente atraido& se encuentra m(s próximo al cloro "ue al *idró$eno! El cloro ad"uiere cierta car$a ne$ati%a& al mismo tiempo "ue el *idró$eno cierta car$a positi%a& *ec*o "ue se indica colocando las letras dK d8 so#re los s+m#olos de los elementos Si el enlace se da entre dos (tomos di)erentes& los electrones de enlace son atra+dos de modo di)erente por los dos n2cleos la molécula presenta una ,ona de car$a ne$ati%a so#re el (tomo "ue los atrae m(s )uertemente una ,ona car$ada positi%amente so#re el otro! Se )orma& entonces& un dipolo 1las dos car$as eléctricas 1K 83 en una distancia mu pe"ueBa3 la molécula reci#e el nom#re de :polar:! 7. ¿Qué es simetría? 4%mo influye la simetría de las moléculas en su punto de e$ullici%n Simetría en química En "u+mica la simetr+a $eométrica de las moléculas es mu importante& a "ue permite clasi)icar las moléculas! Adem(s propiedades como su momento dipolar las transiciones espectroscópicas permitidas 1#asadas en re$las de selección como la re$la de Laporte3 pueden predecirse o ser explicadas a partir de la simetr+a de la molécula! Las simetr+as "ue aparecen en "u+mica est(n asociadas a $rupos )initos de concreto son $rupos puntuales de trans)ormaciones de isometr+a! &5emplo: •
Una rotación en el espacio eucl+deo es una isometr+a del espacio eucl+deo tridimensional!
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El operador de e%olución temporal & "ue descri#e el mo%imiento de un sólido r+$ido S es un $rupo uniparamétrico de isometr+as del espacio eucl+deo tridimensional! Cada operador unitario "ue da la e%olución de un sistema cu(ntico cuo *amiltoniano es 5 es una isometr+a so#re un espacio de 5il#ert de dimensión in)inita!
8mportancia $iol%0ica Las moléculas an)ip(ticas tienen re$iones polares re$iones apolares& de manera "ue una parte de la molécula 1la polar3 interacciona con el a$ua la otra 1la apolar3 no! Esta propiedad es )undamental en los sistemas #ioló$icos& a "ue son la #ase de las #icapas lip+dicas "ue )orman la mem#rana plasm(tica de las células! Las principales moléculas an)ip(ticas de las mem#ranas celulares son los )os)ol+pidos "ue& en un entorno acuoso& se autoor$ani,an en micelas o #icapas! 4onclusi%n Las moléculas polares se disuel%en )(cilmente en disol%entes polares no lo *acen sin em#ar$o en disol%entes no polares! El disol%ente polar por excelencia es el a$ua& as+ "ue las sustancias polares son *idrosolu#les o *idró)ilas& mientras las no polares son *idró)o#as! La polaridad es una caracter+stica mu importante a "ue puede audarnos a reconocer moléculas 1por e'emplo a di)erenciar el trans8dicloroetano "ue es apolar el cis8dicloroetano "ue es )uertemente polar3! En el e)ecto inducti%o es entonces& el e)ecto de un sustit2ete de#ido a la polari,ación permanente de un enlace9 es decir& si en una molécula esta#lece un dipolo& su acción se transmite a tra%és de la cadena car#onada! Se representa con una )ec*a cua punta %a diri$ida *acia el (tomo m(s electrone$ati%o
9i$lio0rafia: u+mica eneral Moderna! Autor Josep* A! a#or José I#ar, A,n(re,! Editorial Marin! ttp:es.;ipolares>no>polarescoalentes> polares>no>polares.stml ttp:es.;i
