¿Cómo afecta un par solitario de un átomo central al momento dipolar?

Question

El momento dipolar es el grado de polaridad, es decir, la separación de cargas positivas y negativas. Pero no entiendo la intuición de por qué y cómo los pares solitarios afectan la polaridad y el momento dipolar. No puedo relacionar la definición de separación de cargas positivas y negativas con un par solitario.

Answer 1

¿Cómo afecta el par solitario de un átomo central al momento dipolar?

No hay una única respuesta a tu pregunta, déjame explicarte. A diferencia de un enlace covalente típico donde los electrones son compartidos entre dos núcleos y la densidad electrónica se extiende sobre todo el enlace, en un par solitario los electrones no se comparten y la densidad electrónica está más localizada alrededor del átomo que tiene el par solitario de electrones. Esta mayor densidad electrónica podría conducir a una contribución más significativa de los electrones de los pares solitarios al momento dipolar molecular que de los electrones distribuidos de manera más difusa en un enlace covalente. A continuación, debemos entender la direccionalidad de los pares solitarios de electrones. Considera las dos moléculas mostradas a continuación, amoníaco y fosfina. Las moléculas parecen ser muy similares, están en la misma columna en la Tabla Periódica.

Sin embargo, en el amoníaco el ángulo $\ce{H-N-H}$ es alrededor de 107 grados y la molécula es aproximadamente hibridada en $\ce{sp^3}$, el par solitario y los 3 enlaces $\ce{N-H}$ apuntan aproximadamente hacia las esquinas de un tetraedro. Puedes ver que en este caso (como se muestra por las flechas, la punta de la flecha representa el extremo negativo de un dipolo), el par solitario en el nitrógeno hará una contribución al momento dipolar molecular. A continuación, examinemos la fosfina. El ángulo $\ce{H-P-H}$ es alrededor de 90 grados y la molécula puede ser vista como no hibridada, el par solitario es un orbital $\ce{s}$ y los 3 enlaces $\ce{P-H}$ están construidos a partir de orbitales de fósforo $\ce{p}$. Puedes ver que en este caso, el par solitario en el fósforo, debido a su simetría esférica, no hará una contribución al momento dipolar molecular en general.

Entonces, en resumen, un par solitario de electrones puede hacer una contribución significativa a la magnitud de un momento dipolar molecular debido al hecho de que están más localizados que los electrones de enlace y, en consecuencia, hay una alta densidad electrónica. Pero, la direccionalidad (o la falta de la misma) del par solitario también debe evaluarse, ya que la falta de direccionalidad puede impedir que haga una contribución significativa al momento dipolar molecular en general.

Answer 2

El momento dipolar puede definirse como el producto de la magnitud de las cargas y la distancia de separación entre las cargas. El momento de dipolo puede referirse a:

• Momento dipolar eléctrico, la medida de la polaridad eléctrica de un sistema de cargas
• Momento dipolar de transición, el momento dipolar eléctrico en mecánica cuántica
• Momento dipolar molecular, el momento dipolar eléctrico de una molécula
• Momento dipolar de enlace, la medida de la polaridad de un enlace químico
• Momento dipolar eléctrico del electrón, la medida de la distribución de carga dentro de un electrón
• Momento dipolar magnético, la medida de la polaridad magnética de un sistema de cargas
• Momento dipolar magnético del electrón
• Momento magnético nuclear, el momento magnético de un núcleo atómico
• Momento dipolar topológico, la medida de la distribución de carga de un defecto topológico
• El término de primer orden (o el segundo término) de la expansión multipolar de una función

(de wikipedia)

El momento dipolar en realidad se ve afectado por la presencia de un par solitario de electrones porque los electrones en el átomo central pueden causar un efecto de apantallamiento similar al que los electrones orbitales internos hacen en los orbitales externos. Puede causar obstáculos por desequilibrios de carga que podrían dar lugar a un desequilibrio de cargas y que podrían desestabilizar el átomo debido a la disminución del momento dipolar.

Considera una molécula de dióxido de carbono donde dos oxígenos están presentes a cada lado del carbono:

Aquí la carga formal en el carbono es cero y la misma carga formal está en ambos oxígenos. En relación a los momentos de dipolo, debes considerar el par solitario de electrones en el oxígeno. El par solitario generalmente reside en el otro lado del enlace [como se muestra en la figura]. Estos electrones son parte del oxígeno y hacen que el oxígeno sea más electronegativo, lo que incrementa el momento dipolar y por lo tanto el enlace se vuelve más fuerte.
En la mayoría de los casos, el átomo central en cualquier compuesto de oxígeno es un átomo más electropositivo y los átomos electropositivos no contienen pares solitarios. Puedes imaginar que hay pares solitarios en el átomo central carbono que podrían generar un carácter parcialmente negativo en ellos y por lo tanto el enlace entre ellos no debe ser tan fuerte como el enlace entre un átomo electropositivo y electronegativo.

Todo esto está gobernado por el momento de dipolo únicamente.