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Enlaces covalentes polares

Momentos dipolares

La distribución asimétrica de cargas en una sustancia polar como el HCl produce un momento dipolarEl producto de la carga parcial Q en los átomos enlazados y la distancia r entre las cargas parciales: µ=Qr, donde Q se mide en culombios (C) y r en metros (m)., abreviado por la letra griega mu (µ). El momento dipolar se define como el producto de la carga parcial Q en los átomos enlazados y la distancia r entre las cargas parciales:

Ecuación 8.16

µ = Qr

donde Q se mide en culombios (C) y r en metros. La unidad para los momentos dipolares es el debye (D):

Ecuación 8.17

1 D = 3,3356 × 10-30 C-m

Cuando una molécula con un momento dipolar se coloca en un campo eléctrico, tiende a orientarse con el campo eléctrico debido a su distribución de carga asimétrica (Figura 8.13 «Moléculas que poseen un momento dipolar se alinean parcialmente con un campo eléctrico aplicado»).

Figura 8.13 Moléculas que poseen un momento dipolar se alinean parcialmente con un campo eléctrico aplicado

En ausencia de un campo (a), las moléculas de HCl se orientan al azar. Cuando se aplica un campo eléctrico (b), las moléculas tienden a alinearse con el campo, de manera que el extremo positivo del dipolo molecular apunta hacia el terminal negativo y viceversa.

Podemos medir las cargas parciales de los átomos de una molécula como el HCl utilizando la ecuación 8.16. Si el enlace en el HCl fuera puramente iónico, se transferiría un electrón del H al Cl, por lo que habría una carga completa de +1 en el átomo de H y una carga completa de -1 en el átomo de Cl. El momento dipolar del HCl es de 1,109 D, como se determina midiendo la extensión de su alineación en un campo eléctrico, y la distancia H-Cl en fase gaseosa es de 127,5 pm. Por lo tanto, la carga de cada átomo es

Ecuación 8.18

Q = μ r = 1,109 D ( 3,3356 × 10 -30 C – m 1 D ) ( 1 127,5 pm ) ( 1 pm 10 -12 m ) = 2,901 × 10 -20 C

Al dividir este valor calculado por la carga de un solo electrón (1.6022 × 10-19 C), encontramos que la carga del átomo de Cl de una molécula de HCl es de aproximadamente -0,18, lo que corresponde a aproximadamente 0,18 e-:

Ecuación 8.19

2,901 × 10 -20 C 1,6022 × 10 -19 C /e – = 0,1811 e –

Para formar un compuesto neutro, la carga del átomo de H debe ser igual pero opuesta. Así, el momento dipolar medido del HCl indica que el enlace H-Cl tiene aproximadamente un 18% de carácter iónico (0,1811 × 100), o un 82% de carácter covalente. En lugar de escribir HCl como Hδ+-Clδ- podemos, por tanto, indicar la separación de cargas cuantitativamente como

H 0 .18 δ + – Cl 0 .18 δ –

Nuestros resultados calculados están de acuerdo con la diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el cloro χH = 2,20; χCl = 3,16, χCl – χH = 0,96), un valor que se encuentra dentro del rango de los enlaces covalentes polares. Matemáticamente, los momentos dipolares son vectores, y poseen tanto una magnitud como una dirección. El momento dipolar de una molécula es la suma vectorial de los dipolos de los enlaces individuales. En el HCl, por ejemplo, el momento dipolar se indica de la siguiente manera:

La flecha muestra la dirección del flujo de electrones señalando hacia el átomo más electronegativo.

La carga de los átomos de muchas sustancias en la fase gaseosa puede calcularse utilizando los momentos dipolares medidos y las distancias de enlace. La figura 8.14 «Gráfico del porcentaje de carácter iónico de un enlace determinado a partir de los momentos dipolares medidos frente a la diferencia de electronegatividad de los átomos enlazados» muestra un gráfico del porcentaje de carácter iónico frente a la diferencia de electronegatividad de los átomos enlazados para varias sustancias. Según el gráfico, el enlace en especies como el NaCl(g) y el CsF(g) es sustancialmente inferior al 100% de carácter iónico. Sin embargo, cuando el gas se condensa en un sólido, las interacciones dipolo-dipolo entre las especies polarizadas aumentan las separaciones de carga. En el cristal, por tanto, se transfiere un electrón del metal al no metal, y estas sustancias se comportan como compuestos iónicos clásicos. Los datos de la figura 8.14 «Gráfico del porcentaje de carácter iónico de un enlace determinado a partir de los momentos dipolares medidos frente a la diferencia de electronegatividad de los átomos enlazados» muestran que las especies diatómicas con una diferencia de electronegatividad inferior a 1,5 tienen un carácter iónico inferior al 50%, lo que concuerda con nuestra descripción anterior de que estas especies contienen enlaces covalentes polares. El uso de los momentos dipolares para determinar el carácter iónico de un enlace polar se ilustra en el Ejemplo 11.

Figura 8.14 Un gráfico del carácter iónico porcentual de un enlace determinado a partir de los momentos dipolares medidos frente a la diferencia de electronegatividad de los átomos enlazados

En la fase gaseosa, incluso el CsF, que tiene la mayor diferencia posible de electronegatividad entre los átomos, no es 100% iónico. El CsF sólido, sin embargo, se considera mejor como 100% iónico debido a las interacciones electrostáticas adicionales en la red.

Ejemplo 11

En la fase gaseosa, el NaCl tiene un momento dipolar de 9,001 D y una distancia Na-Cl de 236,1 pm. Calcule el porcentaje de carácter iónico en el NaCl.

Dado: especie química, momento dipolar y distancia internuclear

Se pide: porcentaje de carácter iónico

Estrategia:

A Calcular la carga de cada átomo utilizando la información dada y la ecuación 8.16.

B Encontrar el carácter iónico porcentual a partir de la relación entre la carga real y la carga de un solo electrón.

Solución:

A La carga de cada átomo viene dada por

Q = μ r = 9,001 D ( 3,3356 × 10 -30 C – m 1 D ) ( 1 236,1 pm ) ( 1 pm 10 -12 m ) = 1 . 2 7 2 × 1 0 -19 C

Así, el NaCl se comporta como si tuviera cargas de 1,272 × 10-19 C en cada átomo separadas por 236,1 pm.

B El carácter iónico porcentual viene dado por la relación entre la carga real y la carga de un solo electrón (la carga esperada para la transferencia completa de un electrón):

% carácter iónico = ( 1.272 × 10 -19 C 1,6022 × 10 -19 C ) ( 100 ) = 79,39 % ≃ 79 %

Ejercicio

En la fase gaseosa, el cloruro de plata (AgCl) tiene un momento dipolar de 6,08 D y una distancia Ag-Cl de 228,1 pm. ¿Cuál es el porcentaje de carácter iónico en el cloruro de plata?

Respuesta: 55,5%

Resumen

Los compuestos con enlaces covalentes polares tienen electrones que se comparten de forma desigual entre los átomos enlazados. La polaridad de dicho enlace está determinada en gran medida por los electronegativitos relativos de los átomos enlazados. La distribución asimétrica de cargas en una sustancia polar produce un momento dipolar, que es el producto de las cargas parciales de los átomos enlazados y la distancia entre ellos.

Consigna clave

  • La polaridad de los enlaces y el carácter iónico aumentan con una diferencia creciente de electronegatividad.

Ecuación clave

Momento dipolar

Ecuación 8.16: µ = Qr

Problemas conceptuales

  1. ¿Por qué los compuestos iónicos como el KI exhiben un carácter sustancialmente menos que el 100% iónico en la fase gaseosa?

  2. De los compuestos LiI y LiF, ¿cuál esperaría que se comportara más como un compuesto iónico clásico? Cuál tendría un mayor momento dipolar en la fase gaseosa? Explica tus respuestas.

Problemas numéricos

  1. Predice si cada compuesto es puramente covalente, puramente iónico o covalente polar.

    1. RbCl
    2. S8
    3. TiCl2
    4. SbCl3
    5. LiI
    6. Br2

  2. A partir de las electronegatividades relativas, clasifique el enlace de cada compuesto como iónico, covalente o covalente polar. Indique la dirección del dipolo de enlace para cada enlace covalente polar.

    1. NO
    2. HF
    3. MgO
    4. AlCl3
    5. SiO2
    6. el enlace C=O en la acetona
    7. O3

  3. A partir de las electronegatividades relativas clasifique el enlace de cada compuesto como iónico, covalente o covalente polar. Indique la dirección del dipolo de enlace para cada enlace covalente polar.

    1. NaBr
    2. OF2
    3. BCl3
    4. el enlace S-S en CH3CH2SSCH2CH3
    5. el enlace C-Cl en CH2Cl2
    6. el enlace O-H en CH3OH
    7. PtCl42-

  4. Clasifique cada especie como de carácter iónico 0%-40%, 40%-60% de carácter iónico, o 60%-100% de carácter iónico basándose en el tipo de enlace que esperarías. Justifica tu razonamiento.

    1. CaO
    2. S8
    3. AlBr3
    4. ICl
    5. Na2S
    6. SiO2
    7. LiBr

  5. Si la distancia de enlace en HCl (momento dipolar = 1.109 D) fuera el doble del valor real de 127,46 pm, ¿cuál sería el efecto sobre la carga localizada en cada átomo? ¿Cuál sería el porcentaje de carga negativa en el Cl? A la distancia de enlace real, ¿cómo afectaría al momento dipolar la duplicación de la carga de cada átomo? ¿Representaría esto más carácter iónico o covalente?

  6. Calcule el porcentaje de carácter iónico del HF (momento dipolar = 1.826 D) si la distancia de enlace H-F es de 92 pm.

  7. Calcule el carácter iónico porcentual del CO (momento dipolar = 0.110 D) si la distancia C-O es de 113 pm.

  8. Calcule el carácter iónico porcentual del PbS y del PbO en fase gaseosa, dada la siguiente información: para el PbS, r = 228,69 pm y µ = 3.59 D; para el PbO, r = 192,18 pm y µ = 4,64 D. ¿Clasificaría estos compuestos como de enlaces covalentes o covalentes polares en el estado sólido?

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