Молекуладағы электр зарядтарының бөлінуі

Кіріспе

Молекуладағы электр зарядының бөлінуі

Химияда полярлық – бұл молекуланың немесе оның химиялық топтарының электр дипольдық моментіне алып келетін электр зарядының бөлінуі, оның нәтижесінде теріс зарядталған және оң зарядталған ұштары пайда болады. Полярлы молекулалар байланысқан атомдар арасындағы электронегативтілік айырмашылығына байланысты бір немесе бірнеше полярлы байланыстарды қамтиды. Полярлы байланыстар бар молекулалардың молекулалық полярлығы болмайды, егер байланыс дипольдары симметрия арқасында бір-бірін өшіріп тастаса. Полярлы молекулалар диполь-диполь молекулааралық күштер және сутекті байланыстар арқылы өзара әрекеттеседі. Полярлық қасиет беттік кернеу, ерігіштік және балқу және қайнау температурасы сияқты бірқатар физикалық қасиеттердің негізін құрайды.

Облигациялардың полярлығы

Барлық атомдар электронды бірдей күшпен тартпайды. Атомның электрондарына көрсеткен "тарту" күші оның электронегативтілігі деп аталады. Фтор, оттегі және азот сияқты жоғары электронегативтілікке ие атомдар, электрондарға сілті металдары мен сілкінді металдар сияқты электронегативтілігі төмен атомдарға қарағанда күштірек тартылыс күшін танытады. Бұл байланыста атомдар арасындағы электронды бөлісудің теңсіздігіне алып келеді, себебі электрондар жоғары электронегативтілікке ие атомға қарай тартылады. Электронның теріс заряды болғандықтан, байланыстағы электронды бөлісудің теңсіздігі электр диполының пайда болуына себеп болады: оң және теріс электр зарядының айырылуы. Мұндай дипольдегі бөлінген заряд мөлшері көбінесе негізгі зарядтан кіші болғандықтан, олар ішінара зарядтар деп аталады және δ+ (дельта плюс) және δ− (дельта минус) арнайы белгілерімен көрсетіледі. Бұл белгілерді 1926 жылы сэр Кристофер Ингольд пен Эдит Хильда (Ушервуд) Ингольд енгізген. Байланыс диполь моменті бөлінген заряд мөлшерін және зарядтар арасындағы қашықтықты көбейту арқылы есептеледі. Молекулалар ішіндегі дипольдер басқа молекулалардағы дипольдермен өзара әрекеттесіп, диполь-диполь молекулааралық күштерді құрайды.

Жіктеу

Байланыстар екі ең шекті жағдайдың біріне жатуы мүмкін: толық поляр емес немесе толық полярлы. Толық поляр емес байланыс электронегативтілік шамалары бірдей болғанда, демек, айырмашылығы нөлге тең болғанда пайда болады. Толық полярлы байланыс дұрысырақ иондық байланыс деп аталады, және ол электронегативтілік арасындағы айырмашылық бір атомның екінші атомнан электронды алып кетуіне жеткілікті болғанда пайда болады. "Полярлы" және "поляр емес" терминдері көбінесе ковалентті байланыстарға қолданылады, яғни полярлығы толық емес байланыстарға. Ковалентті байланыстың полярлығын сандық түрде анықтау үшін атомдардың электронегативтіліктерінің айырмашылығы қолданылады. Байланыс полярлығы әдетте екі байланысқан атом арасындағы электронегативтілік айырмашылығына сүйенген үш топқа бөлінеді. Полинг шкаласы бойынша:
* Поляр емес байланыстар, әдетте, екі атом арасындағы электронегативтілік айырмашылығы 0,5-тен кем болғанда пайда болады.
* Полярлы байланыстар, әдетте, екі атом арасындағы электронегативтілік айырмашылығы шамамен 0,5 мен 2,0 аралығында болғанда пайда болады.
* Иондық байланыстар, әдетте, екі атом арасындағы электронегативтілік айырмашылығы 2,0-ден жоғары болғанда пайда болады.

Полинг бұл жіктеу схемасын байланыстың ішінара иондық сипатына негіздеді, ол екі байланысқан атом арасындағы электронегативтілік айырмашылығының жуық функциясы болып табылады. Оның есебі бойынша, 1,7-ге тең айырмашылық 50% иондық сипатқа сәйкес келеді, сондықтан үлкен айырмашылық негізінен иондық байланысқа сәйкес келеді. Кванттық механикалық сипаттама ретінде, Полинг полярлы AB молекуласының толқындық функциясы ковалентті және иондық молекулалардың толқындық функцияларының сызықтық комбинациясы болады деп ұсынды: ψ = aψ(A:B) + bψ(A+B−). Ковалентті және иондық сипаттың мөлшері a2 және b2 коэффициенттерінің квадраттарына байланысты.

Молекулалардың полярлығы

Молекула әр түрлі атомдардың молекулалық орбиталдары арасындағы бір немесе бірнеше химиялық байланыстардан құралған. Молекула жоғарыда сипатталғандай, электронегативтілік айырмашылығына байланысты полярлы байланыстардың нәтижесінде немесе полярлы емес ковалентті байланыстардың және толық молекулалық орбиталь деп аталатын байланыспаған электрон жұптарының асимметриялық орналасуының нәтижесінде полярлы болуы мүмкін. Молекулаларды "полярлы ковалентті", "полярлы емес ковалентті" немесе "иондық" деп сипаттауға болады, бірақ бұл көбінесе салыстырмалы ұғым, бір молекула екіншісінен көбірек полярлы немесе көбірек полярлы емес болуы мүмкін. Дегенмен, төмендегі қасиеттер мұндай молекулаларға тән.

Қайнау температурасы

Полярлы және полярлы емес молекулаларды ұқсас молярлық массаларымен салыстырғанда, полярлы молекуланың қайнау нүктесі көбінесе жоғары болады, себебі полярлы молекулалар арасындағы диполь-дипольдік өзара әрекеттесу күшті молекулааралық тартылысқа әкеледі. Полярлы өзара әрекеттесудің бір түрі – сутектік байланыс, ол H-байланыс деп те аталады. Мысалы, су H-байланыстар құрастырады және оның молярлық массасы M = 18, ал қайнау температурасы +100 °C, ал полярлы емес метанның M = 16 және қайнау температурасы –161 °C.

Ерігіштігі

Су молекуласының өте полярлы болуына байланысты, басқа полярлы молекулалар әдетте суда еріте алады. Көптеген полярлы емес молекулалар бөлме температурасында суда ерімейді (гидрофобты). Терпентин сияқты көптеген полярлы емес органикалық еріткіштер полярлы емес заттарды еріте алады.

Жер бетінің кернеуі

Полярлы қосылыстар, полярлы емес қосылыстарға қарағанда, көбінесе жоғары беттік кернеуге ие болады.

Капиллярлық әрекет

Полярлы сұйықтықтар кішкентай диаметрлі түтікшеде гравитацияға қарсы көтерілуге ұмтылады.

Сiлтектiлiгi

Полярлы сұйықтықтар полярлы емес сұйықтықтарға қарағанда көбірек тұтқыр болады. Мысалы, полярлы емес гексан, полярлы суға қарағанда әлдеқайда аз тұтқыр. Дегенмен, молекуланың көлемі тұтқырлыққа полярлықтан гөрі күшті әсер етеді, яғни үлкен молекулалы қосылыстар кіші молекулалы қосылыстардан тұтқыр болады. Сондықтан, су (кішкентай полярлы молекулалар) гексадеканнан (үлкен полярлы емес молекулалар) гөрі аз тұтқыр.

Полярлық молекулалар

Полярлық молекуланың асимметриялық орналасқан полярлық байланыстарынан туындаған қарама-қарсы зарядтардың (яғни ішінара оң және ішінара теріс зарядтардың) нәтижесінде таза диполі болады. Су (H2O) – полярлық молекуланың мысалы, себебі оның бір жағында шамалы оң заряд, ал екінші жағында шамалы теріс заряд бар. Дипольдер бір-бірін жоймайды, нәтижесінде таза диполь пайда болады. Судың дипольдық моменті оның күйіне байланысты. Газ тәрізді күйде дипольдық моменті ≈ 1.86 дебай (D) құрайды, ал сұйық судың (≈ 2.95 D) және мұздың (≈ 3.09 D) көрсеткіштері сутектік байланыстардың әртүрлі ортада болуына байланысты жоғары. Басқа мысалдарға көптеген полярлық оттек-сутек (−OH) топтарын қамтитын және жалпы алғанда жоғары полярлы қанттар (мысалы, сахароза) жатады. Егер молекуланың байланыс дипольдық моменттері өшірілмесе, онда молекула полярлы болады. Мысалы, су молекуласы (H2O) иілген (сызықтық емес) геометрияда екі полярлы О−Н байланысын қамтиды. Байланыс дипольдық моменттері өшірілмейді, сондықтан молекула өзінің теріс полюсі оттекте және оң полюсі екі сутек атомының арасында орналасқан молекулалық диполь құрайды. Суретте әрбір байланыс орталық оттек атомын (қызыл түспен белгіленген, теріс зарядты) оң зарядты сутек атомымен (көк түспен белгіленген) қосады. Фторсутек (HF) молекуласы полярлы ковалентті байланысқа ие болғандықтан полярлы болып табылады, себебі ковалентті байланыстағы электрондар электротерістігі жоғары фтор атомына қарай ығысады. Аммиак (NH3) молекуласы үш N−H байланысына ие, олардың полярлығы шамалы (электротерістігі жоғары азот атомына қарай). Молекула VSEPR теориясы болжағандай, дерлік дұрыс тетраэдрдің төртінші төбесіне бағытталған орбитальде екі жұптасқан электронға ие. Бұл орбиталь ковалентті байланысқа қатыспайды; ол электронға толы, нәтижесінде аммиак молекуласының барлық бөлігінде күшті диполь пайда болады. Озон (O3) молекулаларында екі О−О байланысы полярлы емес (бір элементтің атомдары арасында электротерістілік айырмашылығы жоқ). Дегенмен, басқа электрондардың таралуы тең емес, себебі орталық атом электрондарды басқа екі атоммен бөлісуге тиіс, ал сыртқы атомдардың әрқайсысы электрондарды тек бір атоммен бөлісуге тиіс, сондықтан орталық атом электрондардан басқаларына қарағанда көбірек айырылады (орталық атомның формальды заряды +1, ал сыртқы атомдардың әрқайсысының формальды заряды −). Молекуланың иілген геометриясы болғандықтан, нәтижесінде озон молекуласының барлық бөлігінде диполь пайда болады.

A polar molecule has a net dipole as a result of the opposing charges (i. e. having partial positive and partial negative charges) from polar bonds arranged asymmetrically. Water (H2O) is an example of a polar molecule since it has a slight positive charge on one side and a slight negative charge on the other. The dipoles do not cancel out, resulting in a net dipole. The dipole moment of water depends on its state. In the gas phase the dipole moment is ≈ 1.86 debye (D), whereas liquid water (≈ 2.95 D) and ice (≈ 3.09 D) are higher due to differing hydrogen bonded environments. Other examples include sugars (like sucrose), which have many polar oxygen–hydrogen (−OH) groups and are overall highly polar. If the bond dipole moments of the molecule do not cancel, the molecule is polar. For example, the water molecule (H2O) contains two polar O−H bonds in a bent (nonlinear) geometry. The bond dipole moments do not cancel, so that the molecule forms a molecular dipole with its negative pole at the oxygen and its positive pole midway between the two hydrogen atoms. In the figure each bond joins the central O atom with a negative charge (red) to an H atom with a positive charge (blue). The hydrogen fluoride, HF, molecule is polar by virtue of polar covalent bondsin the covalent bond electrons are displaced toward the more electronegative fluorine atom. Ammonia, NH3, is a molecule whose three N−H bonds have only a slight polarity (toward the more electronegative nitrogen atom). The molecule has two lone electrons in an orbital that points towards the fourth apex of an approximately regular tetrahedron, as predicted by the VSEPR theory. This orbital is not participating in covalent bonding; it is electron rich, which results in a powerful dipole across the whole ammonia molecule. In ozone (O3) molecules, the two O−O bonds are nonpolar (there is no electronegativity difference between atoms of the same element). However, the distribution of other electrons is unevensince the central atom has to share electrons with two other atoms, but each of the outer atoms has to share electrons with only one other atom, the central atom is more deprived of electrons than the others (the central atom has a formal charge of +1, while the outer atoms each have a formal charge of −). Since the molecule has a bent geometry, the result is a dipole across the whole ozone molecule.

Поляр емес молекулалар

Молекула екі атомдық молекуланың екі атомы арасында электрондарды тең бөліскенде немесе күрделі молекуладағы полярлық байланыстардың симметриялық орналасуы нәтижесінде полярлы емес болуы мүмкін. Мысалы, бор трифторидінің (BF3) үш полярлық байланысы 120° бұрышпен тригональды жазықтық түрде орналасқан. Бұл молекуладағы жалпы дипольдің пайда болуына алып келмейді. Көмірқышқыл газының (CO2) екі полярлы C=O байланысы бар, бірақ CO2-нің геометриясы сызықтық болғандықтан екі байланыс диполь моменттері бір-бірін жояды және молекулалық диполь моменті болмайды; молекула полярлы емес. Күнделікті қолданыстағы полярлы емес қосылыстарға майлар, май және бензин/газолин жатады. Метан молекуласында (CH4) төрт C−H байланысы көміртек атомының төңірегінде тетраэдрлік пішінде орналасқан. Әрбір байланыстың полярлығы бар (бірақ ол өте күшті емес). Байланыстар симметриялық түрде орналасқандықтан, молекулада жалпы диполь жоқ. Диэлектрлік байланыстағы оттегі молекуласының (O2) полярлығы тең электронегативтілікке байланысты болмайды, сондықтан молекулада да полярлық жоқ.

Амфифильді молекулалар

Полярлық топтар қосылған бір шеті және полярлық емес топтар қосылған екінші шеті бар ірі молекулалар амфифильдер немесе амфифильді молекулалар деп аталады. Олар жақсы беттік белсенді заттар болып табылады және су мен майдың тұрақты эмульсиясын немесе араласпасын құруға көмектеседі. Беттік белсенді заттар сұйық-сұйық интерфейсінде адсорбцияланып, май мен су арасындағы интерфейстік кернеуді төмендетеді.

Молекулалық полярлылықты болжау

Формуланың сипаттамасы Мысал Атауы Дипольдік момент Полярлы АБ Сызықтық молекулалар CO Көміртек оксиді 0,112 HAx Бір H бар молекулалар HF Фторсутекті 1,86 AxOH OH бір шетінде бар молекулалар C2H5OH Этанол 1,69 OxAy O бір шетінде бар молекулалар H2O Су 1,85 NxAy N бір шетінде бар молекулалар NH3 Аммиак 1,42 Полярсыз А2 Бір элементтен тұратын диатомдық молекулалар O2 Диоксиген 0,0 CxAy Көптеген көмірсутек қосылыстар C3H8 Пропан 0,083 CxAy Инверсия центрі бар көмірсутектер C4H10 Бутан 0,0

Молекуланың нүктелік тобын анықтау, оның полярлығын болжау үшін пайдалы тәсіл. Жалпы алғанда, молекуланың жеке байланыс дипольдік моменттері бір-бірін өшірсе, онда молекуланың дипольдік моменті болмайды. Өйткені дипольдік моменттер – шамасы және бағыты бар евклидтік векторлық шамалар, ал бір-біріне қарама-қарсы екі тең вектор өзара жойылады. Инверсия центрі ("i") немесе көлденең айна жазықтығы ("σh") бар кез келген молекуланың дипольдік моменті болмайды. Сол сияқты, егер бірнеше Cn айналу осі болса, молекуланың дипольдік моменті болмайды, себебі дипольдік момент бір өлшемнен артық кеңістікте жата алмайды. Осы шектеудің салдарынан, диэдрлік симметриясы бар (Dn) барлық молекулаларда дипольдік момент болмайды, өйткені D нүктелік топтарының анықтамасы бойынша екі немесе бірнеше Cn осі болады. C1, Cs, C∞h, Cn және Cnv нүктелік топтарында инверсия центрі, көлденең айна жазықтығы немесе бірнеше Cn осі болмағандықтан, осы нүктелік топтардың біріне жататын молекулалардың дипольдік моменті болады.

Суды электрлік бұру

Көпшілік пікірге қарамастан, зарядталған дененің су ағынын электрлік түрде бұруы полярлыққа байланысты емес. Бұру зарядталған дененің су ағынындағы электрленген тамшыларды тудыруынан пайда болады. Су ағыны полярлық молекулаларға күш түсіре алмайтын біртекті электр өрісінде де бұрылуы мүмкін. Сонымен қатар, су ағыны жерге қосылғаннан кейін бұрылу тоқтатылады. Полярлық емес сұйықтықтарда да әлсіз бұрылу байқалуы мүмкін.