Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Полярная молекула» и «Неполярная» перенаправляются сюда. Чтобы узнать о других значениях термина «Полярный», см. Полярный .
Молекула воды , обычно используемый пример полярности. Присутствуют два заряда с отрицательным зарядом посередине (красный оттенок) и положительным зарядом на концах (синий оттенок).

В химии , полярность является разделением электрического заряда , ведущего к молекуле или ее химическим группам , имеющим электрический дипольный момент , с отрицательно заряженным концом и положительно заряженным концом.

Полярные молекулы должны содержать полярные связи из-за разницы в электроотрицательности между связанными атомами. Полярная молекула с двумя или более полярными связями должна иметь асимметричную геометрию по крайней мере в одном направлении, чтобы диполи связи не компенсировали друг друга.

Полярные молекулы взаимодействуют посредством диполь-дипольных межмолекулярных сил и водородных связей . Полярность лежит в основе ряда физических свойств, включая поверхностное натяжение , растворимость , а также точки плавления и кипения.

Полярность облигаций [ править ]

В молекуле фтороводорода (HF) более электроотрицательный атом ( фтор ) показан желтым цветом. Поскольку электроны проводят больше времени у атома фтора в связи H-F, красный цвет представляет частично отрицательно заряженные области, а синий - частично положительно заряженные области.

Не все атомы притягивают электроны с одинаковой силой. Величина «притяжения», которую атом оказывает на свои электроны, называется его электроотрицательностью . Атомы с высокой электроотрицательностью, такие как фтор , кислород и азот  , сильнее притягивают электроны, чем атомы с более низкой электроотрицательностью, такие как щелочные и щелочноземельные металлы . В связи это приводит к неравному распределению электронов между атомами, поскольку электроны будут притягиваться ближе к атому с более высокой электроотрицательностью.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, неравное распределение электронов внутри связи приводит к образованию электрического диполя : разделению положительного и отрицательного электрического заряда. Поскольку количество заряда, разделенного в таких диполях, обычно меньше, чем основной заряд , они называются частичными зарядами , обозначаемыми как δ + ( дельта плюс) и δ- (дельта минус). Эти символы были введены сэром Кристофером Инголдом и доктором Эдит Хильдой (Ашервуд) Ингольд в 1926 году. [1] [2] Дипольный момент связи рассчитывается путем умножения количества разделенных зарядов на расстояние между зарядами.

Эти диполи в молекулах могут взаимодействовать с диполями в других молекулах, создавая диполь-дипольные межмолекулярные силы .

Классификация [ править ]

Связи могут находиться между одной из двух крайностей - быть полностью неполярной или полностью полярной. Полностью неполярная связь возникает, когда электроотрицательности идентичны и, следовательно, имеют нулевую разность. Полностью полярную связь правильнее назвать ионной связью , и она возникает, когда разница между электроотрицательностями настолько велика, что один атом фактически забирает электрон у другого. Термины «полярный» и «неполярный» обычно применяются к ковалентным связям , то есть связям, полярность которых не является полной. Для определения полярности ковалентной связи с помощью числовых средств используется разность электроотрицательностей атомов.

Полярность связи обычно делится на три группы, которые основаны на разнице в электроотрицательности между двумя связанными атомами. По шкале Полинга :

  • Неполярные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами меньше 0,5.
  • Полярные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами составляет примерно от 0,5 до 2,0.
  • Ионные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами превышает 2,0.

Полинг основал эту схему классификации на частичном ионном характере связи, который является приблизительной функцией разницы в электроотрицательности между двумя связанными атомами. Он оценил, что разница в 1,7 соответствует 50% ионному характеру, так что большая разница соответствует связи, которая является преимущественно ионной. [3]

В качестве квантово-механического описания Полинг предположил, что волновая функция полярной молекулы AB представляет собой линейную комбинацию волновых функций ковалентных и ионных молекул: ψ = aψ (A: B) + bψ (A + B - ). Величина ковалентного и ионного характера зависит от значений квадратов коэффициентов a 2 и b 2 . [4]

Полярность молекул [ править ]

Смотрите также: Диполь § Молекулярные диполи

Хотя молекулы могут быть описаны как «полярные ковалентные», «неполярные ковалентные» или «ионные», это часто относительный термин, когда одна молекула просто более полярна или более неполярна, чем другая. Однако для таких молекул характерны следующие свойства.

Молекула состоит из одной или нескольких химических связей между молекулярными орбиталями разных атомов. Молекула может быть полярной либо в результате полярных связей из-за различий в электроотрицательности, как описано выше, либо в результате асимметричного расположения неполярных ковалентных связей и несвязывающих пар электронов, известного как полная молекулярная орбиталь .

Полярные молекулы[ редактировать ]

Молекула воды состоит из кислорода и водорода с электроотрицательностью 3,44 и 2,20 соответственно. Разность электроотрицательности поляризует каждую связь H – O, сдвигая ее электроны в сторону кислорода (показано красными стрелками). Эти эффекты складываются как векторы, чтобы сделать всю молекулу полярной.

Полярная молекула имеет чистый диполь в результате противоположных зарядов (т.е. имеющих частичные положительные и частичные отрицательные заряды) от полярных связей, расположенных асимметрично. Вода (H 2 O) является примером полярной молекулы, поскольку она имеет небольшой положительный заряд с одной стороны и небольшой отрицательный заряд с другой. Диполи не компенсируются, в результате чего получается чистый диполь. Из-за полярной природы самой молекулы воды другие полярные молекулы обычно могут растворяться в воде. В жидкой воде молекулы обладают распределением дипольных моментов (диапазон ≈ 1,9 - 3,1 D ( Дебай )) [ необходима цитата ] из-за разнообразия сред с водородными связями. Другие примеры включают сахара (например,сахароза ), которые имеют много полярных кислородно-водородных (-ОН) групп и в целом очень полярны.

Если дипольные моменты связи молекулы не сокращаются, молекула полярна. Например, молекула воды (H 2 O) содержит две полярные связи O-H в изогнутой (нелинейной) геометрии. Дипольные моменты связи не отменяются, так что молекула образует молекулярный диполь с отрицательным полюсом у кислорода и положительным полюсом на полпути между двумя атомами водорода. На рисунке каждая связь соединяет центральный атом O с отрицательным зарядом (красный) с атомом H с положительным зарядом (синий).

Молекула фторида водорода , HF, полярна в силу полярных ковалентных связей - в ковалентной связи электроны смещены в сторону более электроотрицательного атома фтора.

Молекула аммиака NH 3 полярна из-за своей молекулярной геометрии. Красный цвет представляет частично отрицательно заряженные области.

Аммиак , NH 3 , представляет собой молекулу, у которой три связи N-H имеют лишь небольшую полярность (по отношению к более электроотрицательному атому азота). Молекула имеет два неподеленных электрона на орбитали, которая указывает на четвертую вершину приблизительно правильного тетраэдра, как и предсказывает ( теория VSEPR ). Эта орбиталь не участвует в ковалентном связывании; он богат электронами, что дает мощный диполь во всей молекуле аммиака.

В молекулах озона (O 3 ) две связи O-O неполярны (нет разницы в электроотрицательности между атомами одного и того же элемента). Однако распределение других электронов неравномерно - поскольку центральный атом должен делить электроны с двумя другими атомами, но каждый из внешних атомов должен делить электроны только с одним другим атомом, центральный атом более лишен электронов, чем другие. (центральный атом имеет формальный заряд +1, тогда как внешние атомы каждый имеет формальный заряд - 1 / 2 ). Поскольку молекула имеет изогнутую геометрию, в результате получается диполь во всей молекуле озона.

При сравнении полярной и неполярной молекулы с аналогичными молярными массами полярная молекула в целом имеет более высокую температуру кипения, потому что диполь-дипольное взаимодействие между полярными молекулами приводит к более сильному межмолекулярному притяжению. Одной из распространенных форм полярного взаимодействия является водородная связь , также известная как Н-связь. Например, вода образует водородные связи и имеет молярную массу M = 18 и температуру кипения +100 ° C, по сравнению с неполярным метаном с M = 16 и температурой кипения –161 ° C.

Неполярные молекулы [ править ]

Молекула может быть неполярной либо при равном распределении электронов между двумя атомами двухатомной молекулы, либо из-за симметричного расположения полярных связей в более сложной молекуле. Например, трифторид бора (BF 3 ) имеет тригонально-планарное расположение трех полярных связей под углом 120 °. Это не приводит к общему диполю в молекуле.

В молекуле трифторида бора тригональное плоское расположение трех полярных связей не приводит к общему диполю.
Двуокись углерода имеет две полярные связи CO в линейной геометрии.

Углекислый газ (CO 2 ) имеет две полярные связи C = O, но геометрия CO 2 является линейной, так что два дипольных момента связи сокращаются и нет суммарного молекулярного дипольного момента; молекула неполярна.

В метане связи расположены симметрично (в тетраэдрическом расположении), поэтому общий диполь отсутствует.

Примеры бытовых неполярных соединений включают жиры, масло и бензин / бензин. Большинство неполярных молекул нерастворимы в воде ( гидрофобны ) при комнатной температуре. Многие неполярные органические растворители , такие как скипидар , способны растворять неполярные вещества.

В молекуле метана (CH 4 ) четыре связи C − H расположены тетраэдрически вокруг атома углерода. Каждая связь имеет полярность (хотя и не очень прочную). Связи расположены симметрично, поэтому в молекуле нет полного диполя. Молекула двухатомного кислорода (O 2 ) не имеет полярности в ковалентной связи из-за равной электроотрицательности, следовательно, в молекуле нет полярности.

Амфифильные молекулы [ править ]

Большие молекулы, которые имеют один конец с присоединенными полярными группами, а другой конец с неполярными группами, описываются как амфифильные или амфифильные молекулы. Они являются хорошими поверхностно-активными веществами и могут способствовать образованию стабильных эмульсий или смесей воды и жиров. Поверхностно-активные вещества уменьшают межфазное натяжение между маслом и водой за счет адсорбции на границе раздела жидкость-жидкость.

  • Эта амфифильная молекула имеет несколько полярных групп ( гидрофильных , водолюбивых ) с правой стороны и длинную неполярную цепь ( липофильную , жиролюбивую ) с левой стороны. Это придает ему свойства поверхностно-активного вещества.

  • Мицеллы  - то липофильные концы молекул поверхностно -активного вещества растворяются в масле, в то время как гидрофильные заряженные концы остаются вне в водной фазе, защищая остальную часть гидрофобного мицеллы. Таким образом, маленькая капля масла становится водорастворимой.

  • Фосфолипиды - это эффективные натуральные поверхностно-активные вещества, которые выполняют важные биологические функции.

  • Поперечный разрез структур, которые могут быть образованы фосфолипидами . Они могут образовывать мицеллы и жизненно важны для формирования клеточных мембран.

Прогнозирование полярности молекул [ править ]

ФормулаОписаниеПримерИмяДипольный момент
ПолярныйABЛинейные молекулыCOМонооксид углерода0,112
HA xМолекулы с одним HВЧФтористый водород1,86
А х ОНМолекулы с ОН на одном концеС 2 Н 5 ОНЭтиловый спирт1,69
O x A yМолекулы с буквой O на одном концеH 2 OВода1,85
N x A yМолекулы с буквой N на одном концеNH 3Аммиак1,42
НеполярныйА 2Двухатомные молекулы одного и того же элементаO 2Дикислород0,0
C x A yБольшинство углеводородных соединенийС 3 Н 8Пропан0,083
C x A yУглеводород с центром инверсииС 4 Н 10Бутан0,0

Определение точечной группы - полезный способ предсказать полярность молекулы. В общем, молекула не будет обладать дипольным моментом, если отдельные дипольные моменты связи молекулы компенсируют друг друга. Это потому, что дипольные моменты - это евклидовы векторные величины с величиной и направлением, и два равных вектора, которые противостоят друг другу, будут уравновешиваться.

Любая молекула с центром инверсии («i») или горизонтальной зеркальной плоскостью («σ h ») не будет обладать дипольными моментами. Точно так же молекула с более чем одной осью вращения C n не будет обладать дипольным моментом, потому что дипольные моменты не могут находиться более чем в одном измерении . Как следствие этого ограничения, все молекулы с диэдральной симметрией (D n ) не будут иметь дипольного момента, потому что, по определению, точечные группы D имеют две или несколько осей C n .

Поскольку точечные группы C 1 , C s , C ∞h C n и C n v не имеют центра инверсии, горизонтальных зеркальных плоскостей или нескольких осей C n , молекулы в одной из этих точечных групп будут иметь дипольный момент.

Электрическое отклонение воды [ править ]

Вопреки распространенному заблуждению, электрическое отклонение струи воды от заряженного объекта не зависит от полярности. Отклонение происходит из-за электрически заряженных капель в потоке, который индуцирует заряженный объект. Поток воды также можно отклонить в однородном электрическом поле, которое не может воздействовать на полярные молекулы. Кроме того, после того, как поток воды заземлен, его больше нельзя отклонить. Слабый прогиб возможен даже для неполярных жидкостей. [5]

См. Также [ править ]

  • Химические свойства
  • Коллоид
  • Моющее средство
  • Электроотрицательность элементов (страница данных)
  • Группа полярных точек

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дженсен, Уильям Б. (2009). «Происхождение символа« Дельта »для дробных сборов» . J. Chem. Educ . 86 (5): 545. Bibcode : 2009JChEd..86..545J . DOI : 10.1021 / ed086p545 .
  2. ^ Ингольд, СК; Ингольд, EH (1926). «Природа чередующегося эффекта в углеродных цепях. Часть V. Обсуждение ароматического замещения с особым упором на соответствующие роли полярной и неполярной диссоциации; и дальнейшее исследование относительной директивной эффективности кислорода и азота». J. Chem. Soc. : 1310–1328. DOI : 10.1039 / jr9262901310 .
  3. ^ Полинг, Л. (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. С.  98–100 . ISBN 0801403332.
  4. ^ Полинг, Л. (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. п. 66 . ISBN 0801403332.
  5. ^ Ziaei-Moayyed, Марьям; Гудман, Эдвард; Уильямс, Питер (2000-11-01). «Электрическое отклонение полярных жидких потоков: непонятая демонстрация». Журнал химического образования . 77 (11): 1520. Bibcode : 2000JChEd..77.1520Z . DOI : 10.1021 / ed077p1520 . ISSN 0021-9584 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Химическая связь
  • Полярность связей и молекул.
  • Полярность молекулы