10.4: 分子形状和极性

分子的偶极矩

极性共价键连接两个电荷不同的原子，使一个原子具有部分正电荷 (δ Ω +) ，另一个原子具有部分负电荷 (δ Ω –⁾ ，因为电子被拉向电荷越强的原子。 这种电荷分离会导致键偶极矩。 键偶极矩的大小由希腊字母 mu µ 表示，并由此处显示的公式给出，其中 Q 是部分电荷的大小 (由电负性差值决定) ， r 是电荷之间的距离： μ = QR。

此键矩可以表示为矢量，即具有方向和幅度的数量。 偶极向量显示为箭头，箭头指向键，从电离较少的原子指向电离较强的原子。 在电流较低的一端绘制一个小的加号，表示键的部分正极端。 箭头的长度与两个原子之间的电负性差幅成比例。

因子分子的确定极性

整个分子也可能有电荷分离，这取决于其分子结构及其每个键的极性。 如果存在这种电荷分离，则该分子被认为是极分子；否则，该分子被认为是非极分子。 偶极矩测量整个分子中的净荷分离程度。 我们通过在三维空间中添加键矩来确定偶极矩，同时考虑到分子结构。

对于二原子分子，只有一个键，因此其键偶极矩决定了分子极性。 BR₂ 和 N₂等全核二原子分子在电负性中没有差异，因此其偶极矩为零。 对于 CO 等异质核分子，存在一个小偶极矩。 对于 HF ，偶极矩更大，因为电负性的差异更大。

当分子包含多个键时，必须考虑几何结构。 如果分子中的键被排列为其键矩抵消 (矢量总和等于零) ，则该分子为非极性。 二氧化碳的情况就是这样。 键的每一个都是极性的，但整个分子是非极性的。 从路易斯结构并使用 价层电子对互斥理论（VSEPR） ，我们确定二氧化碳分子与碳原子对面的极性 C=O 键呈线性。 键矩会取消，因为它们指向相反的方向。 对于水分子，路易斯结构再次表明，一个中心原子有两个键，而电负性差再次表明每个键都有一个非零键矩。 但是，在这种情况下，分子结构因孤对 O (O 上的粒子) 而弯曲，两个键矩不会取消。 因此，水确实有一个净偶极矩，并且是一个极分子 (偶极)。

在 OCS 分子中，其结构类似于二氧化碳，但硫原子 取代了其中一个氧原子。  

C-O 键的极性相当高。 尽管 C 和 S 具有非常相似的电负性值，但 S 的电离比 C 略高，因此 C-S 键只是轻微的极点。 由于氧气的电离比硫更强，分子的氧端是负端

氯甲烷 CH₃Cl 是一种具有三个轻微极性 C-H 键和一个更极性 C-CL 键的四面分子。 键合原子的相对电子作用是 H < C < CL ，因此键矩全部指向分子的 CL 端，并生成Gumative 偶极矩 (分子相对极性) 相加。

对于高对称性的分子，如 BF₃ (三角平面) ， CH₄ (四面体) ， PF₅ (三角横坡) 和 SF₆ (八面体) ，所有键都具有相同的极性 (相同的键矩)。 它们在几何结构中的方向是产率非极性分子 (偶极矩为零)。 然而，几何对称性较低的分子即使在所有键矩都相同的情况下也可能是极性的。 对于这些分子，等量键矩的方向是，它们的总和可以给出一个非零偶极矩和一个极性分子。 这类分子的例子包括硫化氢， H₂S (非线性) 和氨气， NH₃ (三角金字塔)

要总结为极性分子，分子必须：

1. 至少包含一个极性共价键。
2. 具有分子结构，使每个键偶极矩的向量总和不会取消。

本案文摘自 Openstax, 化学 2e, 第7.6节：分子结构与极性。

在像氢氟酸那样的共价键中，电子被拉向电负性更强的原子，这可用部分电荷表示。此类键称为极性键。电荷分离产生一个称为键偶极矩的矢量，该矢量可由希腊字母 mu μ）表示。偶极矩的值是部分电荷的大小 和正负电荷之间距离的乘积。该矢量从电负性较小的原子指向电负性较大的 原子以表示键偶极矩。其长度与两个原子间 电负性差的大小 成正比。大多数含有不同元素原子的 双原子分子都有偶极矩，因此是极性分子。在静电势图中, 分别用红色和蓝色 指示化合物中的高电子密度区域 和低电子密度区域。介于两者之间的颜色指示中等电子密度。在多原子化合物中，净偶极矩 由化合物的各个键偶极矩 和几何形状决定。以有两个极性键的水分子为例。它有弯曲的形状，是一种极性分子。相比之下，二氧化碳分子是线性的。两个碳氧键是极性的，但方向相反，抵消了 彼此的偶极矩，使整个分子变为 非极性。硫化羰分子也是线性的。然而，碳氧键和碳硫键的 偶极矩并不相互抵消，分子有一个净偶极矩。三氟化硼是一种平面三角形化合物。由于分子对称性，硼-氟键的偶极矩相互抵消，化合物是非极性的。但是，三角锥形三氯化磷分子中 三个极性键的偶极矩 不会互相抵消，因此成为极性化合物。四氟甲烷是非极性的正四面体分子，因为四个相同极性键的 偶极矩相互抵消。氟甲烷也是四面体分子。但是，氟甲烷具有净偶极矩，因为 C-F 键与 C-H 键相比 具有较大的偶极矩，键偶极矩 不会互相抵消。在电场中，极性分子 会将其正电端对准负极板，负电端对准正极板。相比之下，非极性分子 不受电场影响。通常，极性溶剂溶解极性溶质，而非极性溶剂溶解非极性溶质，因为相似类型的分子 倾向于具有更强的相互作用。水是极性的，很容易溶解 极性化合物，如蔗糖，俗称食糖。油是非极性的，并且与水不互溶。