Polaridad de enlace y electronegatividad: guía de Química HSC

Dos átomos forman un enlace covalente compartiendo electrones. Pero la palabra «compartir» puede ser engañosa. Si el flúor se enlaza con el hidrógeno, los electrones se comparten, pero el flúor los atrae mucho más hacia sí. Si dos átomos de flúor se enlazan, ninguno tiene ventaja sobre el otro.

Así que esta es la pregunta útil: ¿cómo puedes predecir si un enlace comparte los electrones de manera uniforme, ligeramente desigual o extremadamente desigual solo a partir de los elementos implicados?

Antes de seguir leyendo, compara un enlace \(\ce{H-F}\) con un enlace \(\ce{H-I}\). ¿Cuál esperarías que tuviera una distribución de electrones más desigual?

Es \(\ce{H-F}\). La razón se encuentra en la posición del flúor y el yodo en la tabla periódica y en una propiedad llamada electronegatividad.

01Empieza por la distribución desigual

Imagina un enlace covalente como dos personas compartiendo una manta. Si ambas tiran con aproximadamente la misma fuerza, la manta permanece más o menos centrada. Si una persona tira con mucha más fuerza, la mayor parte de la manta termina de su lado.

La manta representa los electrones del enlace. La fuerza con la que tira cada persona representa la atracción de un átomo por esos electrones.

Es una imagen útil, pero solo es un modelo. Los electrones no son trozos de tela situados en un único punto. Un enlace implica una distribución de densidad electrónica entre los núcleos. «Tirar de la manta» es simplemente una forma de representar que un átomo atrae esa densidad electrónica con mayor intensidad.

Cuando dos átomos atraen los electrones del enlace por igual, o casi por igual, el enlace es no polar o solo muy débilmente polar.

Cuando un átomo atrae los electrones del enlace con mayor intensidad, la densidad electrónica se desplaza hacia ese átomo. El enlace es polar.

Por ejemplo, en \(\ce{H-Cl}\), el cloro atrae los electrones del enlace con mayor intensidad que el hidrógeno. Por lo tanto, el cloro adquiere una ligera carga negativa y el hidrógeno una ligera carga positiva:

\[ \ce{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

El símbolo \(\delta\), que se lee «delta», indica una carga parcial. El hidrógeno no ha perdido por completo un electrón y el cloro no ha ganado uno por completo. Los electrones siguen siendo compartidos.

Esta distinción es importante porque la polaridad de enlace es un espectro, no una elección entre únicamente «perfectamente covalente» y «completamente iónico».

02La tabla periódica permite hacer la primera predicción

La propiedad que controla esta distribución desigual es la electronegatividad.

La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer los electrones compartidos en un enlace covalente.

No necesitas memorizar la electronegatividad de todos los elementos para hacer predicciones útiles. La tabla periódica muestra la tendencia principal:

• la electronegatividad generalmente aumenta de izquierda a derecha a lo largo de un período
• la electronegatividad generalmente disminuye al bajar por un grupo
• el flúor, situado cerca de la parte superior derecha de la tabla periódica, tiene la electronegatividad más alta
• los metales situados a la izquierda generalmente tienen electronegatividades bajas, mientras que los no metales de la zona superior derecha generalmente tienen electronegatividades más altas

¿Por qué ocurre esto?

A lo largo de un período, aumenta el número de protones del núcleo mientras que los electrones añadidos entran en la misma capa electrónica principal. Por lo tanto, el núcleo tiende a atraer con mayor intensidad los electrones de enlace.

Al bajar por un grupo, los átomos adquieren capas electrónicas ocupadas adicionales. Los electrones de enlace se encuentran más lejos del núcleo y experimentan un mayor apantallamiento por parte de los electrones internos, por lo que el átomo generalmente atrae los electrones compartidos con menor intensidad.

Esto nos da una regla útil de predicción:

Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre dos átomos enlazados, más desigual tenderá a ser la distribución de los electrones del enlace.

Ahora vuelve a \(\ce{H-F}\) y \(\ce{H-I}\). El flúor se encuentra mucho más arriba que el yodo en el Grupo 17, por lo que el flúor es más electronegativo. Esto hace que la diferencia de electronegatividad en \(\ce{H-F}\) sea mayor y que el enlace \(\ce{H-F}\) sea más polar.

03Medición de la diferencia

La electronegatividad suele representarse mediante el símbolo \(\chi\), la letra griega ji.

Para los átomos A y B, la diferencia de electronegatividad es

\[ \Delta \chi = |\chi_{\mathrm{A}}-\chi_{\mathrm{B}}| \]

donde:

• \(\Delta \chi\) es la diferencia de electronegatividad
• \(\chi_{\mathrm{A}}\) es la electronegatividad del átomo A
• \(\chi_{\mathrm{B}}\) es la electronegatividad del átomo B

Las barras verticales indican que se debe tomar el valor absoluto, por lo que \(\Delta \chi\) es positivo independientemente de qué elemento escribas primero.

Supongamos que el átomo A tiene una electronegatividad de \(3.0\), mientras que el átomo B tiene una electronegatividad de \(2.0\).

Entonces,

\[ \Delta \chi = |3.0-2.0|=1.0 \]

El átomo A atrae los electrones del enlace con mayor intensidad, por lo que A adquiere una carga parcial negativa y B una carga parcial positiva.

Un espectro, no tres categorías separadas

A veces verás los enlaces divididos en categorías como covalente no polar, covalente polar e iónico. Estas categorías son útiles, pero los límites entre ellas no son leyes de la naturaleza.

Un modelo mental mejor es un espectro continuo:

A medida que aumenta \(\Delta \chi\), el enlace generalmente desarrolla una mayor separación de cargas.

Algunos libros de texto asignan límites numéricos exactos a estas categorías. Trata esos números como orientaciones, no como reglas universales. Un valor de \(1.69\) no crea un tipo de enlace fundamentalmente diferente de uno con un valor de \(1.71\).

La química cambia de manera gradual.

04La posición importa en ambos extremos del enlace

Es tentador fijarse únicamente en qué elemento es más electronegativo. Sin embargo, para la polaridad de enlace necesitas considerar la diferencia entre ambos elementos.

Considera estos tres enlaces:

• \(\ce{C-F}\)
• \(\ce{Si-F}\)
• \(\ce{Si-Cl}\)

Podrías notar de inmediato que el flúor es extremadamente electronegativo. Bien. Pero el silicio también es menos electronegativo que el carbono, así que cambiar el átomo del otro extremo del enlace también importa.

05Predicción de la polaridad sin valores numéricos

En muchas preguntas, puedes razonar a partir de las posiciones en la tabla periódica antes de recurrir a valores de electronegatividad.

Supongamos que necesitas comparar \(\ce{C-Cl}\) y \(\ce{Si-Cl}\).

El carbono y el silicio están en el mismo grupo, con el carbono por encima del silicio. La electronegatividad disminuye al bajar por el grupo, por lo que el carbono es más electronegativo que el silicio.

Esto significa que la electronegatividad del carbono está más próxima a la del cloro que la del silicio.

Por lo tanto, predecirías:

\[ \Delta \chi_{\ce{Si-Cl}}>\Delta \chi_{\ce{C-Cl}} \]

y, en consecuencia, \(\ce{Si-Cl}\) debería ser más polar.

Esto te proporciona un procedimiento práctico.

1. Localiza ambos elementos en la tabla periódica.
2. Decide qué átomo debería ser más electronegativo.
3. Considera cuál es probablemente la diferencia entre sus electronegatividades.
4. Si se proporcionan valores numéricos, calcula \(\Delta \chi\).
5. El átomo más electronegativo recibe \(\delta-\), mientras que el átomo menos electronegativo recibe \(\delta+\).

La parte importante es el paso 3. Decir simplemente «el flúor es electronegativo» no es suficiente. La polaridad depende de la diferencia, no del valor de un solo átomo por sí mismo.

06La idea equivocada tentadora: elementos diferentes deben formar un enlace polar

Aquí tienes una predicción que vale la pena comprobar. Si dos elementos diferentes forman un enlace covalente, ¿debe uno de ellos atraer los electrones de manera apreciablemente más fuerte?

No.

Considera el fósforo y el hidrógeno. Sus electronegatividades de Pauling son aproximadamente

\[ \chi_{\ce{P}}=2.19 \]

y

\[ \chi_{\ce{H}}=2.20 \]

Por lo tanto,

\[ \Delta \chi=|2.20-2.19|=0.01 \]

Esa diferencia es diminuta.

Por lo tanto, según esta medida, el enlace \(\ce{P-H}\) es esencialmente no polar, aunque el fósforo y el hidrógeno sean elementos diferentes.

Compáralo con un enlace entre átomos idénticos, como \(\ce{Cl-Cl}\). Su diferencia de electronegatividad es exactamente cero porque ambos átomos tienen la misma electronegatividad.

Por lo tanto, conviene mantener separadas dos ideas:

• los enlaces entre átomos idénticos son no polares porque \(\Delta\chi=0\)
• los enlaces entre átomos diferentes pueden seguir siendo casi no polares si sus electronegatividades son muy similares

El nombre del elemento no determina la polaridad. Lo que la determina es la diferencia en su atracción por los electrones de enlace.

07Otra idea equivocada: un enlace polar hace que toda la molécula sea polar

La polaridad de enlace y la polaridad molecular están relacionadas, pero no son la misma cuestión.

Un enlace plantea la pregunta: «¿Está la densidad electrónica distribuida de manera desigual entre estos dos átomos?»

Una molécula plantea la pregunta: «Cuando se combinan todas las polaridades de sus enlaces en tres dimensiones, ¿existe una distribución global desigual de carga?»

Por ejemplo, cada enlace \(\ce{C=O}\) de \(\ce{CO2}\) es polar. El oxígeno es más electronegativo que el carbono.

Pero \(\ce{CO2}\) es lineal, con dos polaridades de enlace idénticas que apuntan en direcciones opuestas. Sus efectos se cancelan, por lo que la molécula no tiene un dipolo permanente neto.

En cambio, el agua contiene enlaces polares \(\ce{O-H}\), y su geometría angular hace que esas polaridades de enlace no se cancelen.

Por lo tanto, la polaridad de enlace es uno de los componentes de la polaridad molecular. La geometría molecular te indica cómo se combinan esos componentes.

Esto se vuelve importante cuando pasas a estudiar las fuerzas intermoleculares y propiedades como la solubilidad y el punto de ebullición.

08Preguntas y soluciones

Pregunta 1

Las electronegatividades de Pauling del nitrógeno, el fósforo y el hidrógeno son \(3.04\), \(2.19\) y \(2.20\), respectivamente.

Compara la polaridad de un enlace \(\ce{N-H}\) con la de un enlace \(\ce{P-H}\). Identifica el átomo parcialmente negativo en cada enlace, si existe una carga parcial significativa.

Solución 1

El enlace \(\ce{N-H}\) es mucho más polar que el enlace \(\ce{P-H}\). El nitrógeno es parcialmente negativo en \(\ce{N-H}\), mientras que el enlace \(\ce{P-H}\) es esencialmente no polar.

Para \(\ce{N-H}\),

\[ \Delta\chi =|3.04-2.20| =0.84 \]

El nitrógeno es más electronegativo, por lo que la densidad electrónica se desplaza hacia el nitrógeno:

\[ \ce{N^{\delta-}-H^{\delta+}} \]

Para \(\ce{P-H}\),

\[ \Delta\chi =|2.19-2.20| =0.01 \]

La diferencia es extremadamente pequeña, por lo que prácticamente no hay una distribución desigual.

La trampa consiste en suponer que dos elementos diferentes deben producir automáticamente un enlace fuertemente polar. Lo que importa es su diferencia de electronegatividad.

Pregunta 2

El oxígeno y el azufre están en el Grupo 16. El carbono forma enlaces con ambos elementos.

Utilizando las electronegatividades \(C=2.55\), \(O=3.44\) y \(S=2.58\):

1. calcula la diferencia de electronegatividad para \(\ce{C-O}\) y \(\ce{C-S}\)
2. identifica qué enlace es más polar
3. explica cómo concuerda el resultado con la tendencia de la tabla periódica

Solución 2

El enlace \(\ce{C-O}\) es considerablemente más polar, mientras que el enlace \(\ce{C-S}\) es casi no polar.

Para \(\ce{C-O}\),

\[ \Delta\chi_{\ce{C-O}} =|3.44-2.55| =0.89 \]

Para \(\ce{C-S}\),

\[ \Delta\chi_{\ce{C-S}} =|2.58-2.55| =0.03 \]

Por lo tanto,

\[ \Delta\chi_{\ce{C-O}}>\Delta\chi_{\ce{C-S}} \]

por lo que \(\ce{C-O}\) es más polar.

En el enlace \(\ce{C-O}\), el oxígeno es parcialmente negativo porque es más electronegativo:

\[ \ce{C^{\delta+}-O^{\delta-}} \]

El carbono y el azufre tienen electronegatividades casi idénticas, por lo que el enlace \(\ce{C-S}\) presenta muy poca separación de cargas.

La tendencia periódica explica por qué. El oxígeno se encuentra por encima del azufre en el Grupo 16, y la electronegatividad generalmente disminuye al bajar por un grupo. Por lo tanto, el oxígeno atrae los electrones de enlace con mucha más intensidad que el azufre.

Pregunta 3

Considera los enlaces entre el cloro y tres elementos del Período 3: sodio, magnesio y aluminio.

Sus electronegatividades de Pauling son \(Na=0.93\), \(Mg=1.31\), \(Al=1.61\) y \(Cl=3.16\).

Ordena las interacciones \(\ce{Na-Cl}\), \(\ce{Mg-Cl}\) y \(\ce{Al-Cl}\) en orden decreciente de diferencia de electronegatividad. Explica qué sugiere esto sobre su carácter iónico relativo.

Solución 3

El orden decreciente de diferencia de electronegatividad es \(\ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl}\), por lo que el modelo sencillo de electronegatividad predice una disminución del carácter iónico a lo largo de esa secuencia.

Para \(\ce{Na-Cl}\),

\[ \Delta\chi =|3.16-0.93| =2.23 \]

Para \(\ce{Mg-Cl}\),

\[ \Delta\chi =|3.16-1.31| =1.85 \]

Para \(\ce{Al-Cl}\),

\[ \Delta\chi =|3.16-1.61| =1.55 \]

Por lo tanto,

\[ \ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl} \]

en diferencia de electronegatividad.

Esta tendencia sigue la tabla periódica. Al desplazarse del sodio al magnesio y luego al aluminio a lo largo del Período 3, la electronegatividad aumenta. La electronegatividad del cloro permanece fija, por lo que la diferencia entre el cloro y el otro elemento se hace progresivamente menor.

Una mayor diferencia de electronegatividad generalmente corresponde a una mayor separación de cargas y a un mayor carácter iónico.

La trampa consiste en tratar «iónico» y «covalente» como categorías completamente separadas basándose únicamente en un límite numérico. El enlace real y la estructura de un compuesto dependen de más factores que \(\Delta\chi\), pero la diferencia de electronegatividad resulta útil para predecir la tendencia.

Pregunta 4

Un estudiante presenta el siguiente argumento:

El flúor es el elemento más electronegativo, así que todo enlace que contenga flúor debe ser más polar que cualquier enlace que contenga cloro.

Comprueba esta afirmación utilizando \(\ce{F-F}\) y \(\ce{Na-Cl}\). Usa \(F=3.98\), \(Na=0.93\) y \(Cl=3.16\).

Solución 4

La afirmación es falsa. La polaridad de enlace depende de la diferencia entre los dos átomos enlazados, no de que uno de ellos tenga por sí solo una electronegatividad alta.

Para \(\ce{F-F}\), ambos átomos tienen la misma electronegatividad:

\[ \Delta\chi_{\ce{F-F}} =|3.98-3.98| =0 \]

El enlace es no polar.

Para \(\ce{Na-Cl}\),

\[ \Delta\chi_{\ce{Na-Cl}} =|3.16-0.93| =2.23 \]

Esta interacción presenta una diferencia de electronegatividad muy grande y una separación de cargas considerable.

Por lo tanto, \(\ce{Na-Cl}\) tiene una polaridad o un carácter iónico mucho mayor que \(\ce{F-F}\), a pesar de que el propio flúor sea más electronegativo que el cloro.

El error del estudiante consiste en considerar solo uno de los extremos del enlace. La electronegatividad indica con qué intensidad atrae un átomo los electrones de enlace. La polaridad de enlace compara las atracciones en competencia de ambos átomos.

Pregunta 5

A un estudiante se le presentan dos enlaces covalentes desconocidos, X-Y y M-N. Ambos pares tienen la misma diferencia de electronegatividad calculada.

El estudiante concluye:

Los dos enlaces deben tener exactamente la misma distribución de densidad electrónica y exactamente el mismo dipolo de enlace.

¿Está justificada esa conclusión? Explica qué puede y qué no puede decirte la diferencia de electronegatividad.

Solución 5

No. La misma diferencia de electronegatividad sugiere una tendencia similar hacia una distribución desigual, pero no garantiza distribuciones electrónicas idénticas ni dipolos de enlace idénticos.

La electronegatividad es un modelo que se utiliza para comparar la intensidad con la que los átomos atraen los electrones de enlace. Si dos enlaces tienen el mismo \(\Delta\chi\), el modelo nos da motivos para esperar un grado de polaridad similar.

Sin embargo, \(\Delta\chi\) no es una medida directa de la carga parcial. La distribución electrónica real depende de los átomos implicados y de su entorno de enlace.

El dipolo de enlace también depende tanto de la cantidad de carga separada como de la distancia a través de la cual se separa esa carga. Dos enlaces diferentes no tienen por qué presentar longitudes de enlace idénticas ni cargas parciales idénticas simplemente porque sus diferencias de electronegatividad tabuladas coincidan.

Por lo tanto, la conclusión justificada es limitada:

valores iguales de \(\Delta\chi\) sugieren una polaridad similar, pero no demuestran que dos enlaces diferentes sean físicamente idénticos.

La trampa consiste en convertir un modelo predictivo útil en una ley exacta.

09Lo que la polaridad de enlace te permite comprender después

La polaridad de enlace proporciona la primera pieza de una cadena de razonamiento más amplia.

Una vez que sabes qué enlaces son polares, puedes combinar sus direcciones con la geometría molecular para decidir si las polaridades de enlace se refuerzan o se cancelan entre sí. Eso te permite determinar la polaridad molecular.

A partir de ahí, puedes hacer mejores predicciones sobre las fuerzas intermoleculares, la solubilidad, los puntos de ebullición y el comportamiento de las sustancias en presencia de agua y otros disolventes.

La secuencia útil es:

\[ \text{posición periódica} \rightarrow \text{electronegatividad} \rightarrow \Delta\chi \rightarrow \text{polaridad de enlace} \rightarrow \text{polaridad molecular} \rightarrow \text{comportamiento intermolecular} \]

Así que, cuando veas dos elementos enlazados, no empieces preguntándote: «¿Este enlace es iónico o covalente?»

Empieza con la pregunta más útil: ¿qué átomo atrae los electrones compartidos con mayor intensidad y en qué medida?