Polaridade e água

A água (18 g/mol) ferve a 100 °C. O metano (16 g/mol), quase tão pesado, ferve a cerca de −161.5 °C.

Esfregue um pente de plástico no cabelo e aproxime-o de um filete fino de água da torneira. O filete se curva em direção ao pente. Tente o mesmo com um filete de óleo de cozinha e quase nada acontece. As moléculas de água têm uma ponta positiva e uma ponta negativa, e o pente carregado as puxa. Essa carga desigual se chama polaridade e explica boa parte de por que a água se comporta de um jeito tão diferente de outras moléculas pequenas.

Ligações polares

Numa ligação covalente entre dois átomos diferentes, o átomo mais eletronegativo puxa o par compartilhado para mais perto. A eletronegatividade do oxigênio é 3.44 e a do hidrogênio é 2.20, então, em cada ligação O-H, os elétrons passam mais tempo perto do oxigênio. O oxigênio fica com uma pequena carga negativa, escrita δ−, e cada hidrogênio com uma pequena carga positiva, δ+. A ligação é polar. Ligações entre átomos iguais, como em H₂, O₂ ou Cl₂, têm diferença zero e são apolares. Uma ligação C-H, com diferença de 0.35, costuma ser tratada como quase apolar.

A forma decide se uma molécula é polar

Uma molécula pode ter ligações polares e mesmo assim ser apolar no todo. O dióxido de carbono tem duas ligações C=O bem polares, mas a molécula é uma linha reta, então as duas forças apontam em sentidos exatamente opostos e se anulam, como dois times iguais num cabo de guerra. As quatro ligações levemente polares do metano apontam para os vértices de um tetraedro e também se anulam. A água é angular. Suas duas forças O-H apontam em parte para o oxigênio e não se anulam, então a molécula inteira tem um lado negativo no oxigênio e um lado positivo entre os hidrogênios. A amônia, piramidal, é polar pelo mesmo motivo.

Ligações de hidrogênio

O hidrogênio δ+ de uma molécula de água é atraído por um par não ligante do oxigênio de uma vizinha. Essa atração entre moléculas se chama ligação de hidrogênio. Ela é bem mais fraca que a ligação covalente O-H dentro da molécula, mas cada molécula de água pode fazer várias, e juntas elas mantêm a água líquida bem unida. Para ferver a água, é preciso quebrar essa rede, e é por isso que a água ferve a 100 °C enquanto o metano, de massa quase igual mas apolar, ferve a cerca de −161.5 °C.

As ligações de hidrogênio também explicam por que o gelo flutua. Quando a água congela, cada molécula se prende em quatro ligações de hidrogênio dispostas nas direções tetraédricas do oxigênio, o que monta uma estrutura aberta, com vãos. O gelo é, portanto, menos denso que a água líquida, cerca de 0.92 g/cm³ contra cerca de 1.00 g/cm³. Os lagos congelam de cima para baixo, e a camada de gelo isola a água de baixo.

A polaridade também decide o que se dissolve em quê. A água, polar, dissolve sal e açúcar, cujos íons e grupos polares são atraídos pelas moléculas de água. O óleo é feito de longas cadeias de carbono e hidrogênio, quase apolares, então as moléculas de água grudam umas nas outras em vez de no óleo, e os dois se separam. Os químicos resumem isso como "semelhante dissolve semelhante".

As diferenças de eletronegatividade formam uma escada aproximada de um tipo de ligação para o outro. Uma diferença zero, como em Cl-Cl, é uma ligação covalente pura. Diferenças pequenas, como os 0.35 de C-H, são quase apolares. Diferenças médias, como 1.24 em O-H, formam ligações covalentes polares. A partir de cerca de 2, como os 2.23 de Na-Cl, o elétron praticamente muda de dono e a ligação é chamada de iônica. As ligações deslizam por essa escada em vez de pular entre caixas, então os rótulos perto dos limites são em parte uma questão de convenção.