Polaridad y agua

El agua (18 g/mol) hierve a 100 °C. El metano (16 g/mol), casi igual de pesado, hierve a unos −161.5 °C.

Frota un peine de plástico en el pelo y acércalo a un chorro fino de agua del grifo. El chorro se desvía hacia el peine. Prueba lo mismo con un chorro de aceite de cocina y apenas pasa nada. Las moléculas de agua tienen un extremo positivo y otro negativo, y el peine cargado tira de ellas. Esa carga desigual se llama polaridad, y explica buena parte de por qué el agua se comporta de forma tan distinta a otras moléculas pequeñas.

Enlaces polares

En un enlace covalente entre dos átomos distintos, el átomo más electronegativo acerca el par compartido. La electronegatividad del oxígeno es 3.44 y la del hidrógeno, 2.20, así que en cada enlace O-H los electrones pasan más tiempo cerca del oxígeno. El oxígeno lleva una pequeña carga negativa, que se escribe δ−, y cada hidrógeno una pequeña carga positiva, δ+. El enlace es polar. Los enlaces entre átomos iguales, como en H₂, O₂ o Cl₂, tienen una diferencia de cero y son apolares. Un enlace C-H, con una diferencia de 0.35, suele considerarse casi apolar.

La forma decide si una molécula es polar

Una molécula puede tener enlaces polares y ser apolar en conjunto. El dióxido de carbono tiene dos enlaces C=O muy polares, pero la molécula es una línea recta, así que los dos tirones apuntan en direcciones exactamente opuestas y se anulan, como dos equipos iguales jugando a tirar de la cuerda. Los cuatro enlaces ligeramente polares del metano apuntan a los vértices de un tetraedro y también se anulan. El agua es angular. Sus dos tirones O-H apuntan en parte hacia el oxígeno y no se anulan, así que la molécula entera tiene un lado negativo en el oxígeno y un lado positivo entre los hidrógenos. El amoníaco, piramidal, es polar por la misma razón.

Puentes de hidrógeno

El hidrógeno δ+ de una molécula de agua es atraído por un par solitario del oxígeno de una molécula vecina. Esta atracción entre moléculas se llama puente de hidrógeno. Es mucho más débil que el enlace covalente O-H dentro de la molécula, pero cada molécula de agua puede formar varios, y juntos mantienen firmemente unida el agua líquida. Para hervir el agua hay que romper esta red, y por eso el agua hierve a 100 °C mientras que el metano, de masa casi igual pero apolar, hierve a unos −161.5 °C.

Los puentes de hidrógeno también explican por qué el hielo flota. Cuando el agua se congela, cada molécula queda fija con cuatro puentes de hidrógeno dispuestos según las direcciones tetraédricas del oxígeno, lo que forma una estructura abierta con huecos. Por eso el hielo es menos denso que el agua líquida: unos 0.92 g/cm³ frente a unos 1.00 g/cm³. Los lagos se congelan de arriba abajo, y la capa de hielo aísla el agua de debajo.

La polaridad también decide qué se disuelve en qué. El agua, polar, disuelve la sal y el azúcar, cuyos iones y grupos polares son atraídos por las moléculas de agua. El aceite está hecho de cadenas largas de carbono e hidrógeno, casi apolares, así que las moléculas de agua se pegan entre sí y no al aceite, y los dos se separan. Los químicos lo resumen así: "lo semejante disuelve a lo semejante".

Las diferencias de electronegatividad forman una escalera aproximada de un tipo de enlace al siguiente. Una diferencia de cero, como en Cl-Cl, es un enlace covalente puro. Las diferencias pequeñas, como el 0.35 del C-H, son casi apolares. Las diferencias medias, como 1.24 en el O-H, dan enlaces covalentes polares. A partir de 2 más o menos, como el 2.23 del Na-Cl, el electrón cambia de manos en la práctica y el enlace se llama iónico. Los enlaces se deslizan por esta escalera en vez de saltar entre casillas, así que las etiquetas cerca de los límites son en parte una convención.