10.4: Kształt cząsteczki i polaryzacja

Moment dipolowy cząsteczki

Polarne wiązania kowalencyjne łączą dwa atomy o różnej elektroujemności, pozostawiając jeden atom z częściowym ładunkiem dodatnim (δ+), a drugi z częściowym ładunkiem ujemnym (δ–), gdy elektrony są przyciągane w stronę atomu bardziej elektroujemnego. To rozdzielenie ładunku powoduje powstanie momentu dipolowego wiązania. Wielkość momentu dipolowego wiązania jest reprezentowana przez grecką literę mu (µ) i jest wyrażona 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 wartość. Wektory dipolowe pokazano jako strzałki wskazujące wzdłuż wiązania od atomu mniej elektroujemnego w kierunku atomu bardziej elektroujemnego. Na mniej elektroujemnym końcu narysowany jest mały znak plus, aby wskazać częściowo dodatni koniec wiązania. Długość strzałki jest proporcjonalna do wielkości różnicy elektroujemności między dwoma atomami.

Czynniki determinujące polarność cząsteczki

Cała cząsteczka może również mieć rozdzielony ładunek, w zależności od swojej struktury molekularnej i polarności każdego z jej wiązań. Jeśli istnieje taki rozdział ładunków, cząsteczkę nazywa się 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 dodając momenty wiązań w przestrzeni trójwymiarowej, biorąc pod uwagę strukturę molekularną.

W przypadku cząsteczek dwuatomowych istnieje tylko jedno wiązanie, więc moment dipolowy wiązania określa polarność molekularną. Homonuklearne cząsteczki dwuatomowe, takie jak Br2 i N2, nie różnią się elektroujemnością, 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 istnieje większa różnica elektroujemności.

Jeżeli cząsteczka zawiera więcej niż jedno wiązanie, należy wziąć pod uwagę geometrię. Jeśli wiązania w cząsteczce są ułożone w taki sposób, że momenty ich wiązań znoszą się (suma wektorów wynosi zero), to cząsteczka jest niepolarna. Tak właśnie jest w przypadku CO2. Każde z wiązań jest polarne, ale cząsteczka jako całość jest niepolarna. Ze struktury Lewisa i korzystając z 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 przeciwne strony. W przypadku cząsteczki wody struktura Lewisa ponownie pokazuje, że istnieją dwa wiązania z atomem centralnym, a różnica elektroujemności ponownie pokazuje, że każde z tych wiązań ma niezerowy moment wiązania. W tym przypadku struktura molekularna jest jednak wygięta z powodu samotnych par na O, a momenty dwóch wiązań nie zostają zniesione. Dlatego woda ma moment dipolowy netto i jest cząsteczką polarną (dipol).

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

Wiązanie CO jest znacznie polarne. Chociaż C i S mają bardzo podobne wartości elektroujemności, S jest nieco bardziej elektroujemny niż C, więc wiązanie CS 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

W przypadku cząsteczek o wysokiej symetrii, takich jak BF3 (płaska trygonalna), CH4 (czworościenna), PF5 (dwupiramidowa trygonalna) i SF6 (ośmiościenna), wszystkie wiązania mają identyczną polaryzację (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 polarne, nawet jeśli wszystkie momenty wiązań są identyczne. W przypadku tych cząsteczek kierunki równych momentów wiązań są takie, że sumują się, dając niezerowy moment dipolowy i cząsteczkę polarną. Przykłady takich cząsteczek obejmują siarkowodór, H2S (nieliniowy) i amoniak, NH3 (piramida trójkątna)

Podsumowując, aby cząsteczka była polarna, musi:

Zawierają co najmniej jedno polarne wiązanie kowalencyjne.

Mają taką strukturę molekularną, że suma wektorów każdego momentu dipolowego wiązania nie znosi się.

W wiązaniu kowalencyjnym, takim jak kwas fluorowodorowy, elektrony są przyciągane w kierunku bardziej elektroujemnego atomu, na co wskazuje ładunek częściowy. Takie wiązania nazywane są wiązaniami biegunowymi.

Separacja ładunków tworzy wektor zwany momentem dipolowym wiązania, który jest oznaczony grecką literą μ. Jego wartość jest iloczynem wielkości ładunków cząstkowych i odległości między nimi.

Wektor wskazuje od mniejszego do bardziej elektroujemnego atomu i wskazuje moment dipolowy wiązania. Jego długość jest proporcjonalna do wielkości różnicy elektroujemności między dwoma atomami. Większość cząsteczek dwuatomowych zawierających atomy różnych pierwiastków ma momenty dipolowe i dlatego są cząsteczkami polarnymi. 

Mapy potencjału elektrostatycznego wskazują obszary o wysokiej i niskiej gęstości elektronów w związku odpowiednio kolorem czerwonym i niebieskim. Kolory pomiędzy nimi reprezentują umiarkowaną gęstość elektronów.

W związkach wieloatomowych wypadkowy moment dipolowy jest określany przez poszczególne momenty dipolowe wiązania i geometrię związku.

Rozważmy cząsteczkę wody z dwoma wiązaniami polarnymi. Ma wygięty kształt i jest cząsteczką polarną.

Natomiast cząsteczka dwutlenku węgla jest liniowa. Dwa wiązania węgiel-tlen są biegunowe, ale są zorientowane w przeciwnych kierunkach, znosząc nawzajem swój moment  dipolowy i sprawiając, że cała cząsteczka jest niepolarna. 

Cząsteczki siarczku karbonylu są również liniowe. Jednak momenty dipolowe wiązań węgiel-tlen i węgiel-siarka nie znoszą się nawzajem, a cząsteczka ma wypadkowy moment dipolowy. 

Trifluorek boru jest trygonalnym związkiem płaskim. Momenty dipolowe wiązań bor-fluor znoszą się nawzajem dzięki symetrii molekularnej, a związek jest niepolarny. 

Jednak momenty dipolowe trzech wiązań polarnych w trygonalnych piramidalnych cząsteczkach trichlorku fosforu nie znoszą się nawzajem, co czyni go związkiem polarnym.

Tetrafluorometan jest cząsteczką czworościenną, która jest niepolarna, ponieważ momenty dipolowe czterech identycznych wiązań polarnych znoszą się nawzajem. 

Fluorometan jest również cząsteczką czworościenną. Posiada jednak wypadkowy moment dipolowy, ponieważ wiązanie C-F ma duży moment dipolowy w porównaniu z wiązaniami C-H, a momenty dipolowe wiązania nie znoszą się nawzajem.

W polu elektrycznym cząsteczki polarne wyrównują koniec dodatni w kierunku płytki ujemnej, a koniec ujemny w kierunku płytki dodatniej. W przeciwieństwie do tego, cząsteczki niepolarne pozostają nienaruszone przez pole elektryczne. 

Ogólnie rzecz biorąc, rozpuszczalniki polarne rozpuszczają polarne substancje rozpuszczone, a rozpuszczalniki niepolarne rozpuszczają niepolarne substancje rozpuszczone, ponieważ podobne typy cząsteczek mają tendencję do bardziej korzystnych interakcji. Woda jest polarna i łatwo rozpuszcza związki polarne, takie jak sacharoza, powszechnie znana jako cukier stołowy. Olej jest niepolarny i nie miesza się z wodą.