Polarità e acqua

L'acqua (18 g/mol) bolle a 100 °C. Il metano (16 g/mol), quasi altrettanto pesante, bolle a circa −161.5 °C.

Strofina un pettine di plastica sui capelli e avvicinalo a un filo sottile d'acqua del rubinetto. Il filo d'acqua si piega verso il pettine. Prova lo stesso con un filo d'olio da cucina e succede pochissimo. Le molecole d'acqua hanno un'estremità positiva e una negativa, e il pettine carico le attira. Questa carica sbilanciata si chiama polarità, e spiega in buona parte perché l'acqua si comporta in modo così diverso dalle altre piccole molecole.

Legami polari

In un legame covalente tra due atomi diversi, l'atomo più elettronegativo tira più vicino la coppia condivisa. L'elettronegatività dell'ossigeno è 3.44 e quella dell'idrogeno 2.20, quindi in ogni legame O-H gli elettroni passano più tempo vicino all'ossigeno. L'ossigeno porta una piccola carica negativa, scritta δ−, e ogni idrogeno una piccola carica positiva, δ+. Il legame è polare. I legami tra atomi uguali, come in H₂, O₂ o Cl₂, hanno differenza zero e sono apolari. Un legame C-H, con una differenza di 0.35, di solito si considera quasi apolare.

È la forma a decidere se una molecola è polare

Una molecola può avere legami polari ed essere comunque apolare nel complesso. Il diossido di carbonio ha due legami C=O molto polari, ma la molecola è una linea retta, quindi le due trazioni puntano in direzioni esattamente opposte e si annullano, come due squadre uguali nel tiro alla fune. Anche i quattro legami leggermente polari del metano puntano verso i vertici di un tetraedro e si annullano. L'acqua è angolata. Le sue due trazioni O-H puntano entrambe in parte verso l'ossigeno e non si annullano, quindi l'intera molecola ha un lato negativo sull'ossigeno e un lato positivo tra gli idrogeni. L'ammoniaca, piramidale, è polare per lo stesso motivo.

Legami a idrogeno

L'idrogeno δ+ di una molecola d'acqua è attratto da un doppietto libero sull'ossigeno di una molecola vicina. Questa attrazione tra molecole si chiama legame a idrogeno. È molto più debole del legame covalente O-H dentro la molecola, ma ogni molecola d'acqua può formarne diversi, e insieme tengono saldamente unita l'acqua liquida. Per far bollire l'acqua bisogna rompere questa rete, ed è per questo che l'acqua bolle a 100 °C mentre il metano, di massa quasi uguale ma apolare, bolle a circa −161.5 °C.

I legami a idrogeno spiegano anche perché il ghiaccio galleggia. Quando l'acqua gela, ogni molecola si blocca in quattro legami a idrogeno disposti lungo le direzioni tetraedriche dell'ossigeno, e si forma un'impalcatura aperta, piena di spazi vuoti. Il ghiaccio è quindi meno denso dell'acqua liquida, circa 0.92 g/cm³ contro circa 1.00 g/cm³. I laghi gelano dall'alto verso il basso, e lo strato di ghiaccio isola l'acqua sottostante.

La polarità decide anche che cosa si scioglie in che cosa. L'acqua, polare, scioglie sale e zucchero, i cui ioni e gruppi polari sono attratti dalle molecole d'acqua. L'olio è fatto di lunghe catene di carbonio e idrogeno, quasi apolari, quindi le molecole d'acqua si attaccano tra loro invece che all'olio, e i due liquidi si separano. I chimici lo riassumono così: «il simile scioglie il simile».

Le differenze di elettronegatività formano una scala approssimativa da un tipo di legame all'altro. Una differenza zero, come in Cl-Cl, dà un legame covalente puro. Differenze piccole, come lo 0.35 di C-H, sono quasi apolari. Differenze medie, come 1.24 per O-H, danno legami covalenti polari. Da circa 2 in su, come il 2.23 di Na-Cl, l'elettrone passa di fatto da un atomo all'altro e il legame si dice ionico. I legami scorrono lungo questa scala invece di saltare da una casella all'altra, quindi le etichette vicino ai confini sono in parte una convenzione.