¿Por qué el agua es un dipolo?

Question

Agua ( $\ce{H2O}$ ) es un dipolo. La razón es simplemente porque no es simétrico, hay más electrones en el lado del oxígeno que en el lado del hidrógeno, y la electronegatividad del oxígeno.

Pero, ¿por qué no es $\ce{H2O}$ simétrico como $\ce{CO2}$ ? ¿Por qué no es $\ce{H2O}$ no polares como $\ce{CO2}$ ? ¿Tiene algo que ver con los orbitales?

Answer 1

Sí, tiene que ver con los orbitales.

$\ce{CO2}$ es lineal, por lo que aunque el $\ce{C-O}$ tienen momentos dipolares individuales, el momento dipolar global es cero ya que se anulan (apuntan en direcciones opuestas, como se muestra en el siguiente diagrama).

Por otro lado, $\ce{H2O}$ está "doblado", lo que significa que los momentos dipolares individuales del enlace forman un ángulo entre sí. Se suman para dar un momento dipolar neto (mostrado en gris en el diagrama).

Los colores indican la densidad de los electrones, el rojo es más denso/el azul es menos denso. El momento dipolar va de baja densidad a alta densidad.

Bien, entonces, ¿por qué estas moléculas tienen formas diferentes? Aquí es donde entran en juego los orbitales. Intentaré explicar todo lo que pueda sin entrar en los orbitales.

El carbono tiene una configuración electrónica de la capa exterior como $2s^22p^2$ . De estos cuatro electrones, dos se utilizan en $\pi$ bonos, y dos en $\sigma$ bonos. Si no sabes lo que son, míralo así por ahora: Un conjunto de enlaces entre dos átomos tendrá uno y sólo uno $\sigma$ vínculo, con el resto de ellos $\pi$ bonos. Por lo tanto, cualquier enlace individual se compone de sólo un $\sigma$ enlace, un doble enlace está formado por un $\sigma$ y una $\pi$ y un triple enlace está formado por un $\sigma$ y dos $\pi$ bonos. Lo que son estos tipos de enlaces se puede explicar si se sabe lo que es un orbital.

Ahora bien, lo que dice VSEPR es que la geometría de la molécula sólo la decide la $\sigma$ y pares solitarios en el átomo central. Se cuentan los $\sigma$ y los pares solitarios (digamos que suman $x$ ), y decidir la geometría en función de ello. La geometría es la configuración más estable de $x$ orbitales híbridos. En términos simples, si tomamos $x$ Los globos se atan entre sí, y las direcciones a las que apuntan los globos nos ayudan a determinar dónde se encuentran los enlaces y los pares solitarios:

En $\ce{CO2}$ tenemos dos $\sigma$ bonos y dos $\pi$ (ya que cada doble enlace tiene uno de cada tipo). Cada enlace toma un electrón del carbono, por lo que no nos sobran electrones para formar ningún par solitario. Como tenemos dos $\sigma$ y 0 pares solitarios, $x=2$ , dándonos la estructura dada por el primer conjunto de globos, que es lineal. Y $\ce{CO2}$ es efectivamente lineal:

Ahora tomemos el agua. El átomo central (Oxígeno) tiene una configuración de valencia de $2s^22p^4$ , es decir, 6 electrones. En el agua, como tenemos dos enlaces simples, tenemos uno $\sigma$ cada uno (y no $\pi$ bonos). Así que tenemos un total de dos $\sigma$ bonos.

Pero esto nos deja con $6-2=4$ electrones de valencia no apareados. Estos forman dos "pares solitarios" (pares de electrones que no se enlazan). Con dos pares solitarios y dos $\sigma$ bonos, $x=4$ . Esto nos da una estructura tetraédrica (la tercera en el diagrama del globo). Dos de los cuatro puntos del tetraedro están ocupados por los pares solitarios y dos por los enlaces:

(Obsérvese que el ángulo 104,5 no es el mismo que el de los tetraedros perfectos, 109,25; esto se debe a que los pares solitarios se repelen entre sí)

Finalmente, tenemos la siguiente estructura "doblada" para el agua:

A partir de la estructura, como se muestra arriba, es muy fácil comprobar si la molécula tiene un momento dipolar.

Answer 2

Fundamentalmente, dipolar significa simplemente que una región de la molécula tiene un centro de carga positiva y un centro de carga negativa. Podemos decir que el agua tiene un momento dipolar porque no es una molécula "equilibrada", como $CO_2$ es. Sin embargo, entiendo lo que realmente estás preguntando.

Creo que probablemente tenga algo que ver con los orbitales. Puedes buscar en la teoría VSEPR una explicación de por qué el agua tiene una forma doblada. Podría tener que ver con las dos razones que has mencionado, las propiedades electronegativas, y también que el oxígeno simplemente tiene más electrones en general (y por lo tanto necesita ponerlos en algún lugar que tenga una baja cantidad de energía).

Según la VSEPR, los electrones intentan separarse lo máximo posible, esa es una de las explicaciones de por qué la molécula tiene una forma doblada. Los electrones que orbitan el oxígeno ocuparán inevitablemente lo que llaman los orbitales p. Éstos se extienden hacia fuera una mayor distancia, lo que permite a los electrones ocupar un espacio más alejado de los otros electrones, y por lo tanto requiere menos energía para hacerlo (porque los electrones se repelen entre sí).

Sin embargo, este modelo parece ligeramente contraintuitivo y requiere un poco de imaginación y comprensión de la propia teoría, si no mucha física cuántica. Pero, como todo buen modelo, tiende a predecir las propiedades y formas moleculares, y por eso se enseña en las escuelas.