10.4: Kształt molekularny i polarność

Moment dipolowy cząsteczki

Polarne wiązania kowalencyjne łączą dwa atomy o różnych elektroujemnościach, pozostawiając jeden atom z częściowym ładunkiem dodatnim (δ⁺), a drugi atom z częściowym ładunkiem ujemnym (δ^–), ponieważ elektrony są przyciągane w kierunku bardziej elektroujemnego atomu. To rozdzielenie ładunku powoduje powstanie momentu dipolowego wiązania. Wielkość momentu dipolowego wiązania jest reprezentowana przez grecką literę mu (μ) i jest określona wzorem pokazanym tutaj, gdzie Q jest wielkością ładunków cząstkowych (określoną przez różnicę elektroujemności), a r jest odległością między ładunkami: μ = Qr.

Ten moment wiązania można przedstawić jako wektor, wielkość mającą zarówno kierunek, jak i wielkość. Wektory dipolowe są pokazane jako strzałki wskazujące wzdłuż wiązania od mniej elektroujemnego atomu w kierunku bardziej elektroujemnego atomu. Na mniej elektroujemnym końcu rysowany jest mały znak plus, aby wskazać częściowo dodatni koniec wiązania. Długość strzałki jest proporcjonalna do wielkości różnicy elektroujemności między dwoma atomami.

Czynniki decydujące o polarności cząsteczki

Cała cząsteczka może również mieć separację ładunku, w zależności od jej struktury molekularnej i polarności każdego z jej wiązań. Jeśli taka separacja ładunków istnieje, mówi się, że cząsteczka jest cząsteczką polarną; W przeciwnym razie mówi się, że cząsteczka jest niepolarna. Moment dipolowy mierzy stopień separacji ładunków netto w cząsteczce jako całości. Moment dipolowy wyznaczamy poprzez dodanie momentów wiązania w przestrzeni trójwymiarowej, biorąc pod uwagę strukturę molekularną.

W przypadku cząsteczek dwuatomowych istnieje tylko jedno wiązanie, więc jego moment dipolowy wiązania określa polarność molekularną. Dwuatomowe cząsteczki homojądrowe, takie jak Br₂ i N₂, nie mają różnicy w elektroujemności, więc ich moment dipolowy wynosi zero. W przypadku cząsteczek heterojądrowych, takich jak CO, występuje mały moment dipolowy. W przypadku HF występuje większy moment dipolowy, ponieważ występuje większa różnica w elektroujemności.

Gdy cząsteczka zawiera więcej niż jedno wiązanie, należy wziąć pod uwagę geometrię. Jeśli wiązania w cząsteczce są ułożone w taki sposób, że ich momenty wiązania znoszą się (suma wektorów równa się zero), to cząsteczka jest niepolarna. Tak jest w przypadku emisji CO₂ . Każde z wiązań jest polarne, ale cząsteczka jako całość jest niepolarna. Na podstawie struktury Lewisa i teorii VSEPR określamy, że cząsteczka CO₂ jest liniowa z polarnymi wiązaniami C = O po przeciwnych stronach atomu węgla. Momenty wiązania znoszą się, ponieważ są skierowane w przeciwnych kierunkach. W przypadku cząsteczki wody struktura Lewisa ponownie pokazuje, że istnieją dwa wiązania z centralnym atomem, a różnica elektroujemności ponownie pokazuje, że każde z tych wiązań ma niezerowy moment wiązania. Jednak w tym przypadku struktura molekularna jest wygięta z powodu samotnych par na O, a dwa momenty wiązania nie znoszą się. Dlatego woda ma wypadkowy moment dipolowy i jest cząsteczką polarną (dipolem).

W cząsteczce OCS struktura jest podobna do CO₂ , ale atom  siarki zastępuje jeden z atomów tlenu. 

Wiązanie C-O jest znacznie polarne. Chociaż C i S mają bardzo podobne wartości elektroujemności, S jest nieco bardziej elektroujemne niż C, a więc wiązanie C-S jest tylko nieznacznie polarne. Ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny niż siarka, koniec tlenowy cząsteczki jest końcem ujemnym.

Chlorometan,_CH3Cl, jest cząsteczką czworościenną z trzema lekko polarnymi wiązaniami C-H i bardziej polarnym wiązaniem C-Cl. Względne elektroujemności związanych atomów wynoszą H < C < Cl, a więc wszystkie momenty wiązania wskazują na koniec Cl cząsteczki i sumują się, aby uzyskać znaczny moment dipolowy (cząsteczki są stosunkowo polarne).

W przypadku cząsteczek o wysokiej symetrii, takich jak BF₃ (trygonalny płaski), CH₄ (czworościenny), PF₅ (trygonalny dwupiramidowy) i SF₆ (ośmiościenny), wszystkie wiązania mają identyczną polarność (ten sam moment wiązania) i są zorientowane w geometriach, które dają cząsteczki niepolarne (moment dipolowy wynosi zero). Cząsteczki o mniejszej symetrii geometrycznej mogą być jednak biegunowe nawet wtedy, gdy wszystkie momenty wiązania są identyczne. Dla tych cząsteczek kierunki równych momentów wiązania są takie, że sumują się, aby uzyskać niezerowy moment dipolowy i cząsteczkę polarną. Przykładami takich cząsteczek są siarkowodór,_H2S(nieliniowy) i amoniak, NH₃ (trygonalny piramidalny)

Podsumowując, aby być polarną, cząsteczka musi:

1. Zawierają co najmniej jedno polarne wiązanie kowalencyjne
.
2. Mają strukturę molekularną taką, że suma wektorów każdego momentu dipolowego wiązania nie znosi się.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 7.6 Struktura molekularna i polarność.