Химическая полярность

редактировать
A молекула воды, обычно используемый пример полярности. Присутствуют два заряда с отрицательным зарядом в середине (красный оттенок) и положительным зарядом на концах (синий оттенок).

В химии, полярность - это разделение электрического заряда, приводящего 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 геометрию, которая асимметрична 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.

Содержание

  • 1 Полярность связей
    • 1.1 Классификация
  • 2 Полярность молекул
    • 2.1 Полярные молекулы
    • 2.2 Неполярные молекулы
    • 2.3 Амфифильные молекулы
  • 3 Прогнозирование полярности молекул
  • 4 Электрическое отклонение воды
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Полярность связей

В молекуле фтороводорода (HF) тем больше 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, оказывают большее притяжение электронов, чем атомы с более низкой электроотрицательностью, такие как щелочные металлы. 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, неравномерное 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 фундаментальный заряд, они называются частичными зарядами, обозначаются как δ + (дельта плюс) и δ− (дельта минус). Эти символы были введены сэром Кристофером Ингольдом и доктором Эдит Хильда (Ушервуд) Инголд в 1926 году. 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

Связи могут находиться между одной из двух крайностей - быть полностью неполярными или полностью полярный. Полностью неполярная связь возникает, когда электроотрицательности идентичны и, следовательно, имеют нулевую разность. Полностью полярная связь более правильно называется ионной связью и возникает, когда разница между электроотрицательностями достаточно велика, чтобы один атом фактически забирал электрон у другого. Термины «полярный» и «неполярный» обычно применяются к ковалентным связям, то есть к связям, в которых полярность не является полной. Чтобы определить полярность ковалентной связи с помощью числовых средств, используется разница между электроотрицательностью атомов.

Полярность связи обычно делится на три группы, которые в общих чертах основаны на разнице в электроотрицательности между двумя связанными атомами. Согласно 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 между двумя атомами находится примерно между 0,5 и 2,0
  • Ионные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами превышает 2,0

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

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

Полярность молекул

В то время как молекулы могут быть описаны как «полярные ковалентные», «неполярные ковалентные», или «ионная», 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

Молекула воды состоит из кислорода и водорода с соответствующими электроотрицательностями 3,44 и 2,20. Разность электроотрицательности поляризует каждую связь H – O, сдвигая ее электроны в сторону кислорода (показано красными стрелками). Эти эффекты складываются в виде векторов, 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 (H2O) является примером полярной молекулы, поскольку она имеет небольшой положительный заряд с одной стороны и небольшой отрицательный заряд с другой. Диполи не компенсируются, в результате получается чистый диполь. Из-за полярной природы самой молекулы воды другие полярные молекулы, как правило, способны растворяться в воде. В жидкой воде молекулы обладают распределением дипольных моментов (диапазон ≈ 1,9 - 3,1 D (Дебай )) из-за разнообразия сред с водородными связями. Другие примеры включают сахара (такие как сахароза ), которые имеют много полярных кислородно-водородных (-ОН) групп и в целом являются очень полярными.

Если дипольные моменты связи молекулы не сокращаются, молекула полярна. Например, молекула воды (H2O) содержит две полярные связи O-H в изогнутой (нелинейной) геометрии. Дипольные моменты связи не уничтожаются, 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 фтороводорода, HF, полярна в силу полярных ковалентных связей - в ковалентных связях электроны смещены в сторону более электроотрицательного атома фтора.

Молекула аммиака NH 3 полярна в результате 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 предсказывает (теория VSEPR ). Эта орбиталь не участвует в ковалентном связывании; он богат электронами, что дает мощный диполь во всей молекуле аммиака.

Резонансные структуры Льюиса молекулы озона

В молекулах озона (O3) 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, а каждый внешний атом имеет формальный заряд - ⁄ 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, поскольку 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

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 тригональное плоское расположение трех полярных связей под углом 120 °. Это приводит к отсутствию полного диполя в молекуле.

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

Двуокись углерода (CO 2) имеет две полярные связи C = O, но геометрия CO 2 является линейной, так что два дипольных момента связи компенсируются и нет чистого молекулярного диполя момент; молекула неполярна.

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

Примеры неполярных соединений в домашних условиях включают жиры, масло и бензин / бензин. Большинство неполярных молекул нерастворимы в воде (гидрофобные ) 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. Двухатомная молекула кислорода (O 2) не имеет полярности по ковалентной связи из-за равной электроотрицательности, следовательно, в молекуле нет полярности.

Амфифильные молекулы

Большие молекулы, у которых один конец имеет полярные группы, а другой конец - неполярные группы, описываются как амфифилы 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 нефтью и водой за счет адсорбции на границе раздела жидкость-жидкость.

Прогнозирование полярности молекул

ФормулаОписаниеПримерИмяДипольный момент
ПолярныйABЛинейные молекулыCOОкись углерода 0,112
HAxМолекулы с одиночный HHFФтористый водород 1,86
AxOHМолекулы с OH на одном концеC2H5OHЭтанол 1,69
OxAyМолекулы с O на одном концеH2OВода 1,85
NxAyМолекулы с N на одном концеNH3Аммиак 1,42
НеполярныеA2Двухатомные молекулы одного и того же элементаO2Диоксид кислорода 0,0
CxAyБольшинство углеводородных соединенийC3H8Пропан 0,083
CxAyУглеводород с центром инверсии C4H10Бутан 0,0

Определение точки группа - 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 (Dn) не будут иметь дипольного момента, потому что, по определению, точечные группы D имеют две или несколько осей C n.

Так как группы точек C 1, C s,C∞hCnи C nv не имеют центра инверсии, горизонтальных зеркальных плоскостей или нескольких C n оси, молекулы в одной из этих точечных групп будут иметь дипольный момент.

Электрическое отклонение воды

Вопреки распространенному заблуждению, электрическое отклонение потока воды от заряженного объекта не зависит от полярности. Отклонение происходит из-за электрически заряженных капель в потоке, который индуцирует заряженный объект. Струя воды также может отклоняться в однородном электрическом поле, которое не может воздействовать на полярные молекулы. Кроме того, после того, как поток воды заземлен, его больше нельзя отклонить. Слабое отклонение возможно даже для неполярных жидкостей.

См. Также

  • Химический портал

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-14 09:32:28
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте