10.4: Молекулярная форма и полярность

Дипольный момент молекулы

Полярные ковалентные связи соединяют два атома с различными электроотрицательностями, оставляя один атом с частичным положительным зарядом (δ⁺) и другой атом с частичным отрицательным зарядом (δ^–), так как электроны тянутся к более электрицательному атому. Такое разделение заряда приводит к возникновению дипольного момента связи. Величина дипольного момента связи представлена греческой буквой Mu (мкм) и дана по приведенной здесь формуле, где Q — величина частичных зарядов (определяется разницей электроотрицательности), а r — расстояние между зарядами: μ = QR.

Этот момент сцепления можно представить как вектор, величина которого имеет как направление, так и величину. Дипольные векторы показаны стрелками, указывающими вдоль связи от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному атому. На менее электроотрицательном конце рисуется маленький знак плюса, указывающий на частично положительный конец связи. Длина стрелки пропорциональна разнице электроотрицательностей между двумя атомами.

Факторы, определяющие полярность молекулы

Целая молекула также может иметь разделение заряда, в зависимости от ее молекулярной структуры и полярности каждой из ее связей. Если такое разделение заряда существует, молекула считается полярной; в противном случае молекула считается неполярной. Дипольный момент измеряет степень разделения чистого заряда в молекуле в целом. Мы определяем дипольный момент путем добавления моментов связи в трехмерном пространстве с учетом молекулярной структуры.

Для двухатомных молекул существует только одна связь, поэтому ее дипольный момент определяет молекулярную полярность. Молекулы гомоядерных диатомов, таких как BR₂ и N₂, не имеют разницы в электроотрицательности, поэтому их дипольный момент равен нулю. Для гетеронуклеарных молекул, таких как CO, существует небольшой дипольный момент. Для HF существует больший дипольный момент, так как существует большая разница в электроотрицательности.

Если молекула содержит более одной связи, необходимо учитывать геометрию. Если связи в молекуле организованы таким образом, что их моменты связи отменяются (векторная сумма равна нулю), то молекула неполярна. Это ситуация с CO₂. Каждая из связей полярная, но молекула в целом неполярная. Из структуры Льюиса и используя теорию VSEPR, мы определяем, что молекула CO2 линейна с связями полярного C=O на противоположных сторонах атома углерода. Моменты скрепления отменяются, так как они указаны в противоположных направлениях. В случае молекулы воды структура Льюиса вновь показывает, что к центральному атому есть две связи, и разница в электрике снова показывает, что каждая из этих связей имеет ненулевой момент связи. В этом случае, однако, молекулярная структура изгибается из-за одиночных пар на O, и два момента связи не отменяются. Поэтому вода имеет сетевой дипольный момент и является полярной молекулой (диполь).

В молекуле OCS структура похожа на CO₂, но атом серы заменяет один из атомов кислорода.  

Связь с-о значительно полярная. Хотя у C и S очень схожие значения электроотрицательности, S немного более электричегативен, чем C, и поэтому связь C-S лишь слегка полярна. Поскольку кислород является более электроотрицательным, чем сера, кислородная часть молекулы является отрицательной

Хлорметан CH3Cl представляет собой тетраэдральную молекулу с тремя слегка полярными связями C-H и более полярной связью C-Cl. Относительные электрические характеристики связанных атомов H < C < Cl, поэтому моменты связи указывают на конец CL молекулы и суммируются, чтобы получить значительный дипольный момент (молекулы относительно полярны).

Для молекул высокой симметрии, таких как BF ₃ (тригонально-планарный), CH ₄ (тетраэдрический), PF ₅ (тригонально-бипирамидальный) , и SF ₆ (октаэдрические), все связи имеют одинаковую полярность (одинаковый момент связи), и они ориентированы в геометрии, которая дает неполярные молекулы (дипольный момент равен нулю). Однако молекулы с меньшей геометрической симметрией могут быть полярными, даже если все моменты связи идентичны. Для этих молекул направления равных моментов связи таковы, что в сумме они дают ненулевой дипольный момент и полярную молекулу. Примеры таких молекул включают сероводород H ₂ S (нелинейный) и аммиак NH ₃ (тригонально-пирамидальный)

Чтобы подвести итог, молекула должна быть полярной:

1. Содержать хотя бы одну полярную ковалентную связь.
2. Иметь молекулярную структуру, такую, что сумма векторов каждого двухполюсного момента связи не отменяется.

Этот текст был адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.6 Молекулярная структура и полярность.

В ковалентной связи, такой как у плавиковой кислоты, электроны притягиваются к более электроотрицательному атому, на что указывает частичный заряд. Такие связи называются полярными связями. Разделение зарядов создает вектор, называемый дипольным моментом связи, который обозначается греческой буквой мю.

Его значение является произведением величины частичных зарядов на расстояние между ними. Вектор направлен от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному атому и указывает дипольный момент связи. Его длина пропорциональна разнице электроотрицательностей между двумя атомами.

Большинство двухатомных молекул, содержащих атомы различных элементов, имеют дипольные моменты и, следовательно, являются полярными молекулами. Карты электростатического потенциала указывают области с высокой и низкой электронной плотностью в соединении красным и синим цветом соответственно. Цвета между ними обозначают умеренную электронную плотность.

В многоатомных соединениях общий дипольный момент определяется дипольными моментами отдельных связей и геометрией соединения. Рассмотрим молекулу воды с двумя полярными связями. Она имеет изогнутую форму и представляет собой полярную молекулу.

Напротив, молекула диоксида углерода линейна. Две связи углерод-кислород полярны, но ориентированы в противоположных направлениях, компенсируя дипольный момент друг друга и делая всю молекулу неполярной. Молекулы карбонилсульфида также линейны.

Однако дипольные моменты связей углерод-кислород и углерод-сера не компенсируют друг друга, и молекула имеет суммарный дипольный момент. Трифторид бора представляет собой плоское треугольное соединение. Дипольные моменты связей бор-фтор компенсируют друг друга из-за симметрии молекулы, и соединение неполярно.

Однако дипольные моменты трех полярных связей в треугольно-пирамидальных молекулах трихлорида фосфора не компенсируют друг друга, что делает его полярным соединением. Тетрафторметан представляет собой тетраэдрическую молекулу, которая неполярна, поскольку дипольные моменты четырех идентичных полярных связей компенсируют друг друга. Фторметан также представляет собой тетраэдрическую молекулу.

Однако он обладает чистым дипольным моментом, так как связь C-F имеет больший дипольный момент по сравнению с связями C-H, и дипольные моменты связей не компенсируют друг друга. В электрическом поле полярные молекулы ориентируют положительный конец по направлению к отрицательной пластине, а отрицательный конец к положительной пластине. Напротив, неполярные молекулы не подвержены влиянию электрического поля.

Как правило, полярные растворители растворяют полярные вещества, а неполярные растворители растворяют растворенные вещества, поскольку сходные типы молекул имеют тенденцию к взаимодействию. Вода полярна и легко растворяет полярные соединения, такие как сахароза, широко известная как столовый сахар. Нефть неполярна и не смешивается с водой.