domingo, 2 de febrero de 2014

¡El ozono es polar!

Sucede todos los años. Un estudiante, en las cercanías de un examen, lanza la pregunta:

¿EL OZONO ES POLAAAAAAAAAAAAAAAAR?


que muchos pensaréis que no lo es, que es obvio puesto que se trata de una molécula homonuclear, pero, un momento, ¿seguro que esto es así? Analícemos el caso. 

1- Los fundamentos: el momento dipolar

Podemos definir el momento dipolar de un enlace como la cantidad vectorial que resulta de multiplicar las cargas separadas por la distancia a la que están separadas:

m = carga x distancia = q · d

Es habitual que el momento dipolar se mida en debyes, que equivale a 3,33564×10−30 culombio · metro.

Es importante que nos demos cuenta de que se trata de una magnitud vectorial, algo que deberemos observar cuando nos preguntemos por la polaridad de una molécula. Establecer si un enlace es polar o, lo contrario, apolar es sencillo; otra cosa es predecir cuando una molécula resultará polar o apolar. En general, podemos decir que:

Una molécula es polar cuando la suma vectorial de los momentos dipolares de sus enlaces resulta distinta de cero.

2- Los números o el diagrama de Lewis

Si pensamos en una molécula como la del dihidrógeno

La molécula de dihidrógeno es apolar

puesto que ambos átomos tiran con la misma “fuerza” del par electrónico, no existe separación de cargas. O dicho de otra forma, siempre que los átomos de una molécula diatómica tengan la misma electronegatividad, la molécula resultará apolar.

Ahora pensemos en el fluoruro de hidrógeno, HF. Aquí la cosa cambia, puesto que el flúor es bastante más electronegativo que el hidrógeno, de manera que el enlace F-H es polar. Como no hay más enlaces en la molécula, el fluoruro de hidrógeno es una molécula polar.

La molécula de fluoruro de hidrógeno es polar
La cosa se complica cuando pensamos en moléculas con más de dos átomos (diferentes o no). ¿Qué pasa en el CO2? ¿y en el H2O? Si dibujamos las estructuras de Lewis de estas moléculas



Tenemos claro que los enlaces en estas moléculas son polares. Pero, ¡cuidado!, esto no implica necesariamente que las moléculas sean polares.

El enlace C-O en la molécula de dióxido de carbono es polar
El enlace H-O en la molécula de agua es polar

Pero ¿ y en el - chán, chán, chááááánnn – ozono? Todo el mundo sabe que la molécula de ozono está constituida por tres átomos de oxígeno, O3, y si dibujamos las estructuras de Lewis


encontramos que la molécula de ozono existe en una única estructura promedio de las dos anteriores y que podemos representar por:


y tenemos una molécula homonuclear triatómica con un orden de enlace de 1,5. Según lo dicho en el apartado 1, al ser los tres átomos iguales, los tres poseen la misma electronegatividad y podríamos pensar que los enlaces serán apolares. Pero no nos quedemos aquí, sigamos ...

3- La importancia de la geometría

Si nos quedamos en el apartado 2, las conclusiones pueden ser tan claras como erróneas:

  1. El CO2 es una molécula polar puesto que sus enlaces son polares.
  2. El H2O es polar puesto que los enlaces O-H son polares.
  3. El O3 es apolar puesto que todos sus átomos son iguales.
Y es que nos falta una importante parte: la predicción de la geometría molecular. La forma más sencilla de abordar este aspecto es mediante el modelo de Repulsión de Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (RPECV) y no es mi intención explicar aquí las ideas básicas de dicho modelo, tan sólo señalaré que

según el modelo RPECV, la geometría molecular es el resultado de minimizar las repulsiones entre los pares electrónicos de los átomos que componen la molécula.

Para repasar el modelo RPECV os recomiendo que paséis por Quimitube o por Wikipedia. Para aclarar el título de esta entrada nos centraremos en los siguientes casos.
  •  Caso 1: el átomo central carece de pares electrónicos no enlazantes
Es el caso del dióxido de carbono. Los cuatro electrones del átomo central, el carbono, están ocupados en formar los enlaces a los átomo de oxígeno, de manera que los pares electrónicos se alejan lo máximo posible dando como resultado una geometría lineal. 
Si recordamos, el momento dipolar de la molécula es el vector resultante de los momentos dipolares de todos los enlaces de la molécula. Entonces, la molécula de dióxido de carbono es apolar, puesto que los dos momentos existentes se cancelan al tener la misma dirección pero sentidos opuestos. 

La molécula de dióxido de carbono es apolar
Así que nuestra predicción basada únicamente en la estructura de Lewis para el CO2 era errónea: el dióxido de carbono está formado por moléculas apolares.

  • Caso 2: el átomo central sí posee pares electrónicos no enlazantes.
Dentro de este caso encontramos tanto a la molécula de agua como la de ozono. Empecemos por la del agua: como existen dos pares electrónicos no enlazantes sobre el átomo de oxígeno, la geometría resulta angular para minimizar la repulsión entre éstos y los pares electrónicos enlazantes.

La molécula de agua es polar (1, 84 D)

Como ves en la imagen, esta vez los momentos dipolares de los enlaces no se anulan porque sus direcciones son distintas. Por tanto, el agua resulta polar (su momento dipolar es de 1,84 D), sí, pero podemos llegar a esa conclusión en ideas parcialmente incorrectas; el agua es un compuesto polar porque sus enlaces lo son y porque su geometría resulta angular.

Bueno, vamos al - chán, chán, chááááánnn – ozono, molécula cuyo átomo central también posee electrones no enlazantes. A consecuencia de ello, su geometría es también angular para minimizar la repulsión entre los pares electrónicos. Podríamos pensar que dado que los enlaces O - O son apolares (¡mentira!), el resultado será una molécula no polar, sin embargo en el ozono la distribución de densidad electrónica es desigual para el átomo central que para los exteriores: el átomo central comparte electrones con dos átomos, mientras que los oxígenos exteriores sólo comparten con un átomo

¡El ozono es una molécula polar! (0,53 D)
Este reparto desigual entre el oxígeno central y los exteriores produce la aparición de cargas dentro de la molécula. Como el momento dipolar es igual a carga por distancia, aparecen dos vectores momento que parten del átomo central y se dirigen hacia los exteriores. Al ser la geometría angular, los momentos dipolares de cada enlace O - O no se cancelan, así que podemos concluir que ¡el ozono es una molécula dipolar! De hecho, el valor de este momento dipolar del ozono es de 0,53 D, pequeño en comparación al del agua, pero no despreciable.

Así que el ozono es un compuesto polar, ¡no mamen!

Esta entrada participa en la XXXII Edición del Carnaval de Química (edición Germanio), cuyo blog anfitrión es DIMETILSULFURO.