Legame covalente polare e momento dipolare

Pochissimi legami sono perfettamente ionici o perfettamente covalenti: la maggior parte si colloca lungo un continuo, condividendo gli elettroni in modo più o meno diseguale. Il momento dipolare è la grandezza che quantifica questa disuguaglianza e permette di stimare quanto carattere ionico nasconda un legame covalente.

Vediamo la differenza fra covalente apolare e polare, il ruolo dell’elettronegatività, che cos’è il momento dipolare e come dal suo valore si ricava la percentuale di carattere ionico di un legame.

Covalente apolare e polare

In un legame covalente apolare due atomi identici, o di uguale elettronegatività, condividono gli elettroni in modo simmetrico: il baricentro delle cariche positive e quello delle negative coincidono e non c’è separazione di carica. In un legame covalente polare, invece, un atomo attrae gli elettroni più dell’altro: la coppia di legame si sposta verso l’atomo più elettronegativo, che acquista una carica parziale negativa (δ−) mentre l’altro resta con una carica parziale positiva (δ+). Il legame resta covalente, ma con una componente di carattere ionico.

Il ruolo dell’elettronegatività

La differenza di elettronegatività fra i due atomi è il parametro che colloca un legame lungo il continuo covalente-ionico. Quando è nulla il legame è apolare; quando è piccola il legame è covalente polare; quando è grande prevale il trasferimento di carica e il legame tende all’ionico. Non esiste una soglia netta: il passaggio è graduale, e la stessa nozione di legame «puramente ionico» è un’idealizzazione utile più che una realtà. Per orientarsi, una differenza di elettronegatività attorno all’unità corrisponde grossomodo a un carattere ionico del legame intorno al venti per cento, mentre servono differenze ben maggiori per avvicinarsi al regime nettamente ionico.

Il momento dipolare

La separazione di carica di un legame polare si misura con il momento dipolare, il prodotto della carica separata per la distanza che separa i baricentri di carica positiva e negativa.

μ = q · r   (unità: debye, D)

Il momento dipolare si esprime in debye. Confrontando il valore misurato con quello teorico che si avrebbe se l’elettrone fosse trasferito completamente da un atomo all’altro, si ottiene una misura diretta di quanto il legame sia «ionico».

La percentuale di carattere ionico

Il calcolo si fa come rapporto fra dipolo osservato e dipolo del legame interamente ionico.

% carattere ionico = μ_osservatoμ_{ionico totale} × 100

L’esempio classico è l’acido fluoridrico HF. Il suo momento dipolare misurato vale circa 1,91 D, mentre quello atteso per un trasferimento completo dell’elettrone (un’intera carica elettronica separata della lunghezza del legame) sarebbe circa 4,4 D. Il rapporto dà quindi un carattere ionico vicino al 43%: HF si comporta come una miscela di circa 57% di struttura covalente e 43% di struttura ionica. Per l’acido cloridrico HCl, dove la differenza di elettronegatività è minore, il carattere ionico scende a circa il 17%. La tabella riassume l’andamento per gli alogenuri di idrogeno.

Dipolo di legame e dipolo molecolare

Attenzione a non confondere il dipolo di un singolo legame con quello dell’intera molecola: i dipoli di legame sono vettori e si sommano vettorialmente. Una molecola può contenere legami molto polari ed essere comunque apolare nel complesso se la simmetria fa annullare i vettori, come accade nell’anidride carbonica lineare o nel tetracloruro di carbonio tetraedrico. La geometria, quindi, decide la polarità complessiva: l’argomento è trattato a parte nella teoria che prevede la forma delle molecole.

Perché conta nella pratica

La polarità dei legami e delle molecole governa solubilità, miscibilità, punti di ebollizione e reattività. Sapere stimare il carattere ionico di un legame dal momento dipolare aiuta a prevedere se una sostanza si scioglierà in solventi polari o apolari, quanto saranno intense le interazioni intermolecolari e dove un reagente sarà più suscettibile all’attacco. È una base concettuale che ritorna nella scelta dei solventi, nella formulazione e nell’interpretazione del comportamento di molti composti.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra legame covalente polare e apolare?

Nel legame apolare due atomi di uguale elettronegatività condividono gli elettroni in modo simmetrico, senza separazione di carica. Nel legame polare un atomo, più elettronegativo, attrae di più la coppia di legame, acquistando una carica parziale negativa mentre l’altro resta con una carica parziale positiva. Il legame resta covalente ma acquista carattere ionico.

Che cos’è il momento dipolare?

È il prodotto della carica parziale separata per la distanza fra i baricentri di carica positiva e negativa, e si misura in debye. Quantifica la polarità di un legame o di una molecola. Confrontato con il valore atteso per il trasferimento completo dell’elettrone, permette di calcolare la percentuale di carattere ionico del legame.

Come si calcola la percentuale di carattere ionico?

Si divide il momento dipolare misurato per quello che si avrebbe se l’elettrone fosse trasferito completamente da un atomo all’altro, e si moltiplica per cento. Per HF, il dipolo misurato di circa 1,91 D rispetto a un valore ionico di circa 4,4 D dà un carattere ionico vicino al 43%; per HCl scende a circa il 17%.

Una molecola con legami polari è sempre polare?

No. I dipoli di legame sono vettori e si sommano: se la simmetria della molecola li fa annullare, la molecola è apolare nonostante i legami polari. È il caso dell’anidride carbonica lineare o del tetracloruro di carbonio tetraedrico. La polarità complessiva dipende quindi sia dalla polarità dei legami sia dalla geometria molecolare.

Perché un legame polare è più forte di uno puramente covalente?

Perché il contributo ionico aggiunge un’attrazione elettrostatica extra fra le cariche parziali, che si somma alla condivisione covalente. Questo rende il legame più corto e più energetico. È il motivo per cui legami con grande differenza di elettronegatività, come C−F, risultano particolarmente robusti rispetto a quanto ci si aspetterebbe da un legame puramente covalente.