Solución:
Solución 1:
Sí, tiene que ver con los orbitales.
$ ce {CO2} $ es lineal, por lo que aunque el $ ce {CO} $ Los enlaces tienen momentos dipolares individuales, el momento dipolar total es cero ya que estos se cancelan (apuntan en direcciones opuestas, como se muestra en el diagrama a continuación).
Por otra parte, $ ce {H2O} $ está “doblado”, lo que significa que los momentos dipolares individuales del enlace forman un ángulo entre sí. Se suman para dar un momento dipolar neto (mostrado en gris en el diagrama).
Los colores indican densidad de electrones, el rojo es más denso / el azul es menos denso. El momento dipolar es de baja densidad a alta densidad.
Bien, entonces, ¿por qué estas moléculas tienen formas diferentes? Aquí es donde entran los orbitales. Intentaré explicar todo lo que pueda sin entrar en los orbitales.
El carbono tiene una configuración electrónica de la carcasa exterior como $ 2s ^ 22p ^ 2 $. Fuera de estos cuatro electrones, dos se utilizan en $ pi $ bonos, y dos en $ sigma $ cautiverio. Si no sabe cuáles son, mírelo así por ahora: un conjunto de enlaces entre dos átomos tendrá uno y solo uno $ sigma $ vínculo, con el resto de ellos $ pi $ cautiverio. Entonces, cualquier enlace simple se compone de solo un $ sigma $ enlace, un doble enlace se compone de uno $ sigma $ y uno $ pi $, y un triple enlace se compone de uno $ sigma $ y dos $ pi $ cautiverio. Lo que realmente son estos tipos de enlaces se puede explicar si sabe qué es un orbital.
Ahora, lo que dice VSEPR es que la geometría de la molécula solo la decide el $ sigma $ enlaces y pares solitarios en el átomo central. Cuentas el $ sigma $ enlaces y pares solitarios (digamos que suman $ x $) y decidir la geometría basándose en eso. La geometría es la configuración más estable de $ x $ orbitales híbridos. En términos simples, si tomáramos $ x $ globos y los ató, las direcciones en las que apuntan los globos nos ayudan a corresponder a dónde se encuentran los enlaces y los pares solitarios:
En $ ce {CO2} $, tenemos dos $ sigma $ bonos y dos $ pi $ enlaces (ya que cada doble enlace tiene uno de cada tipo). Cada enlace toma un electrón del carbono, por lo que no tenemos electrones sobrantes para formar un par solitario. Ya que tenemos dos $ sigma $ enlaces y 0 pares solitarios, $ x = 2 $, dándonos la estructura dada por el primer conjunto de globos, que es lineal. Y $ ce {CO2} $ es de hecho lineal:
Ahora tomemos agua. El átomo central (oxígeno) tiene una configuración de valencia de $ 2s ^ 22p ^ 4 $, es decir, 6 electrones. En el agua, como tenemos dos enlaces simples, tenemos uno $ sigma $ unir cada uno (y no $ pi $ cautiverio). Entonces tenemos un total de dos $ sigma $ cautiverio.
Pero esto nos deja con $ 6-2 = 4 $ electrones de valencia no apareados. Estos forman dos “pares solitarios” (pares de electrones que no se unen). Con dos parejas solitarias y dos $ sigma $ cautiverio, $ x = 4 $. Esto nos da una estructura tetraédrica (tercera en el diagrama de globo). Dos de los cuatro puntos del tetraedro están ocupados por pares solitarios y dos por enlaces:
(Tenga en cuenta que el ángulo 104.5 no es el mismo que el ángulo en tetraedros perfectos, 109.25; esto se debe a que los pares solitarios se repelen entre sí)
Entonces, finalmente, tenemos la siguiente estructura “doblada” para el agua:
A partir de la estructura, como se muestra arriba, es muy fácil verificar si la molécula tiene un momento dipolar.
Solucion 2:
Básicamente, dipolar simplemente significa que una región de la molécula tiene un centro de carga positiva y un centro de carga negativa. Podemos decir que el agua tiene un momento dipolar porque no es una molécula ‘equilibrada’, como lo es $ CO_2 $. Sin embargo, entiendo lo que realmente estás preguntando.
Creo que probablemente tenga algo que ver con los orbitales. Puede consultar la teoría VSEPR para obtener una explicación de por qué el agua tiene una forma doblada. Puede que tenga que ver con las dos razones que mencionaste, las propiedades electronegativas, y también que el oxígeno solo tiene más electrones en general (y por lo tanto necesita colocarlos en algún lugar que tenga una baja cantidad de energía).
Según VSEPR, los electrones intentan separarse lo más posible, esa es una explicación de por qué la molécula tiene una forma doblada. Los electrones que orbitan alrededor del oxígeno ocuparán inevitablemente lo que ellos llaman orbitales p. Estos se extienden hacia afuera una distancia mayor, lo que permite que los electrones ocupen un espacio más alejado de los otros electrones y, por lo tanto, requieren menos energía para hacerlo (porque los electrones se repelen entre sí).
Sin embargo, este modelo parece un poco contrario a la intuición y requiere un poco de imaginación y comprensión de la teoría en sí, si no mucha física cuántica. Pero, como cualquier buen modelo, tiende a predecir propiedades y formas moleculares, y por eso se enseña en las escuelas.