Geometria molecular i polaritat: cancel·lació de dipols

Els enllaços polars no determinen sols la polaritat molecular

Una molècula pot contenir enllaços polars i tenir moment dipolar total nul. Per decidir-ho cal sumar les contribucions en l’espai, segons la geometria. Dir només que un àtom és més electronegatiu que un altre no completa el raonament.

Aquesta pràctica treballa tres exemples originals de lectura estructural: una geometria trigonal plana, una piràmide trigonal i una comparació tetraèdrica. Afegirem un model vectorial senzill per comprovar com l’angle modifica la suma de dues contribucions iguals.

Separa tres preguntes abans de concloure

Primer escrivim una estructura de Lewis coherent amb els electrons de valència. Després comptem les regions electròniques al voltant de l’àtom central per aplicar el model de repulsió de parells electrònics. Finalment distingim la geometria dels àtoms i estudiem si els moments d’enllaç es cancel·len.

Una regió pot correspondre a un enllaç simple, doble o triple: per al recompte geomètric bàsic, un enllaç múltiple no es compta com diverses direccions independents. Els parells no enllaçants també intervenen en l’organització de les regions.

El capítol d’estructura molecular i polaritat d’OpenStax explica aquest esquema. La guia general d’enllaç químic i forces intermoleculars serveix de retorn al bloc; aquí ens centrem en la cancel·lació espacial.

Treballarem amb molècules aïllades i el model geomètric habitual d’estudi. No pretenem obtenir moments dipolars experimentals exactes a partir d’un dibuix de Lewis.

Exercici 1: BF₃ i la cancel·lació en un pla

El bor aporta 3 electrons de valència i cada fluor en té 7. El total de BF₃ és:

3 + 3·7 = 24 electrons de valència.

Situem B al centre amb tres enllaços simples B–F. Els enllaços utilitzen 6 electrons; els 18 restants completen tres parells no enllaçants a cada F. En aquesta estructura, el bor queda envoltat per 6 electrons, una excepció coneguda al recompte de l’octet.

Al voltant de B hi ha tres regions d’enllaç i cap parell no enllaçant. El model dona una geometria trigonal plana, amb direccions separades per 120° en la disposició ideal.

Cada enllaç B–F és polar, però els tres són equivalents i estan distribuïts simètricament. Les contribucions vectorials es cancel·len. Per tant, BF₃ és apolar en aquesta descripció molecular.

Podem comprovar la suma sense assignar un valor experimental. Representem tres vectors iguals de mòdul μ amb angles 0°, 120° i 240°:

Component horitzontal: μ[1−1/2−1/2] = 0.

Component vertical: μ[0+√3/2−√3/2] = 0.

El resultat nul no ve de suposar que B–F sigui apolar. Ve de la simetria i de la igualtat de les tres contribucions.

Exercici 2: NH₃ i el paper del parell no enllaçant

El nitrogen aporta 5 electrons de valència i els tres hidrògens n’aporten 3. En total:

5 + 3·1 = 8 electrons de valència.

Tres enllaços N–H utilitzen 6 electrons. Queden 2 electrons, que formen un parell no enllaçant al nitrogen. Així, al voltant de N hi ha quatre regions: tres d’enllaç i una de parell lliure.

L’organització de les regions és aproximadament tetraèdrica, però la geometria molecular, que descriu les posicions dels àtoms, és piramidal trigonal. No l’anomenem tetraèdrica només perquè hi hagi quatre regions.

Els tres enllaços N–H no formen el mateix repartiment pla de BF₃. En la disposició piramidal, les components laterals equivalents es compensen, però queda una contribució al llarg de l’eix de simetria. NH₃ és polar.

L’error habitual és comptar només tres àtoms al voltant del central i assignar automàticament un triangle pla. El parell no enllaçant no apareix com un quart àtom, però sí que afecta la distribució electrònica i la geometria.

No necessitem donar un angle exacte per justificar la diferència bàsica. Tampoc deduïm el valor numèric del moment dipolar amb el recompte de Lewis: el model explica qualitativament la manca de cancel·lació.

Exercici 3: mateixa família geomètrica, resultat diferent

Compara CCl₄ i CH₂Cl₂. En tots dos casos, el carboni central forma quatre enllaços simples i no té parells no enllaçants. El model geomètric bàsic és tetraèdric.

En CCl₄, els quatre enllaços C–Cl són equivalents i es distribueixen simètricament. La suma vectorial és nul·la: CCl₄ és apolar.

En CH₂Cl₂, els quatre llocs del tetraedre no estan ocupats pel mateix tipus d’àtom. Hi ha dos enllaços C–Cl i dos C–H. La simetria que garantia la cancel·lació de quatre contribucions equivalents ja no és la mateixa, i la molècula presenta moment dipolar no nul.

Per comprovar els recomptes de Lewis, CCl₄ té 4+4·7=32 electrons de valència. Quatre enllaços utilitzen 8 i els 24 restants completen els parells dels clors.

CH₂Cl₂ té 4+2·1+2·7=20 electrons. Els quatre enllaços utilitzen 8 i els 12 restants completen els parells no enllaçants dels dos clors. En cap dels dos casos apareix un parell lliure al carboni.

La conclusió és que “tetraèdrica” no equival sempre a “apolar”. També importa la identitat dels substituents i la suma real de les contribucions.

Una comprovació amb dos vectors i un angle

En un model abstracte, pren dos moments d’enllaç iguals de mòdul μ separats per un angle θ. La simetria situa la resultant sobre la bisectriu i el seu mòdul és:

μtotal = 2μ cos(θ/2), per a 0°≤θ≤180°.

Si θ=180°, la suma és zero. Si θ=120°, dona 2μ cos60°=μ, no zero. L’angle canvia el resultat encara que els dos mòduls siguin iguals.

Aquest exemple és una comprovació vectorial, no una predicció quantitativa d’una molècula concreta. Mostra per què cal conèixer la disposició espacial abans de concloure cancel·lació.

Una resposta completa conserva el raonament

A la llibreta d’errors, prepara quatre caselles: electrons totals, regions del central, geometria molecular i suma de moments. Si la resposta falla, localitza quin pas has substituït per una regla massa general.

Evita també identificar polaritat amb solubilitat universal. La polaritat és una propietat molecular rellevant per a interaccions, però una predicció de solubilitat concreta necessita considerar més factors i el sistema que compares.

Preguntes freqüents

Una molècula amb enllaços polars és sempre polar?

No. Les contribucions poden cancel·lar-se si la geometria i la simetria són adequades, com passa en BF₃ o CCl₄.

Geometria electrònica i geometria molecular són el mateix?

No sempre. La primera inclou les regions de parells no enllaçants; la segona descriu les posicions dels àtoms, com mostra NH₃.

Una geometria tetraèdrica garanteix una molècula apolar?

No. La cancel·lació també depèn dels substituents i de les contribucions d’enllaç. CCl₄ i CH₂Cl₂ il·lustren la diferència.

Dibuixa la geometria abans de sumar els moments

Recompta els electrons dels tres exercicis i explica amb paraules quina simetria permet o impedeix la cancel·lació. Per continuar amb estructura molecular i interaccions, consulta el curs de Química de les Illes Balears i revisa els continguts i les opcions de compra.