Введение

Разделение электрического заряда в молекуле

В химии полярность – это разделение электрического заряда, приводящее к тому, что молекула или её химические группы обладают электрическим дипольным моментом, с отрицательно заряженным и положительно заряженным концами. Полярные молекулы должны содержать одну или несколько полярных связей вследствие разницы в электроотрицательности между атомами, образующими связь. Молекулы, содержащие полярные связи, не проявляют молекулярной полярности, если диполи связей компенсируют друг друга симметрично. Полярные молекулы взаимодействуют посредством диполь-дипольных межмолекулярных сил и водородных связей. Полярность определяет ряд физических свойств, включая поверхностное натяжение, растворимость, а также температуры плавления и кипения.

Полярность облигаций

Не все атомы притягивают электроны с одинаковой силой. Величина "притяжения", которое атом оказывает на свои электроны, называется электроотрицательностью. Атомы с высокой электроотрицательностью, такие как фтор, кислород и азот, притягивают электроны сильнее, чем атомы с низкой электроотрицательностью, такие как щелочные и щелочноземельные металлы. В химической связи это приводит к неравномерному распределению электронов между атомами, поскольку электроны будут смещаться к атому с более высокой электроотрицательностью. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, неравномерное распределение электронов в связи приводит к образованию электрического диполя – разделению положительного и отрицательного электрических зарядов. Поскольку величина разделения зарядов в таких диполях обычно меньше элементарного заряда, они называются частичными зарядами и обозначаются как δ+ (дельта плюс) и δ− (дельта минус). Эти обозначения были введены сэром Кристофером Ингольдом и Эдит Хильдой (Ушервуд) Ингольд в 1926 году. Дипольный момент связи рассчитывается путем умножения величины разделения зарядов на расстояние между ними. Эти диполи внутри молекул могут взаимодействовать с диполями в других молекулах, создавая диполь-дипольные межмолекулярные силы.

Классификация

Связи могут находиться между двумя крайностями – полностью неполярными или полностью полярными. Полностью неполярная связь возникает, когда электроотрицательности одинаковы и, следовательно, их разность равна нулю. Полностью полярная связь точнее называть ионной связью, и она возникает, когда разница между электроотрицательностями достаточно велика, чтобы один атом фактически отнял электрон у другого. Термины "полярный" и "неполярный" обычно применяются к ковалентным связям, то есть к связям, в которых полярность не является полной. Для определения полярности ковалентной связи численными методами используется разность электроотрицательностей атомов. Полярность связи обычно подразделяется на три группы, основанные на разнице электроотрицательностей между двумя связанными атомами. Согласно шкале Поулинга: неполярные связи обычно возникают, когда разность электроотрицательностей между двумя атомами меньше 0,5; полярные связи обычно возникают, когда разность электроотрицательностей между двумя атомами приблизительно находится в диапазоне от 0,5 до 2,0; ионные связи обычно возникают, когда разность электроотрицательностей между двумя атомами больше 2,0.

Паулинг построил эту классификационную схему на основе частичного ионного характера связи, который является приближенной функцией разности электроотрицательностей между двумя связанными атомами. Он оценил, что разность в 1,7 соответствует 50% ионному характеру, так что большая разность соответствует связи, которая преимущественно ионная. В качестве квантовомеханического описания, Паулинг предположил, что волновая функция для полярной молекулы AB является линейной комбинацией волновых функций для ковалентной и ионной молекул: ψ = aψ(A:B) + bψ(A+B−). Степень ковалентного и ионного характера зависит от значений квадратов коэффициентов a2 и b2.

Полярность молекул

Молекула состоит из одной или нескольких химических связей между молекулярными орбиталями различных атомов. Молекула может быть полярной либо вследствие наличия полярных связей, обусловленных разницей в электроотрицательности, как описано выше, либо из-за асимметричного расположения неполярных ковалентных связей и несвязывающих электронных пар, известных как заполненная молекулярная орбиталь. Хотя молекулы можно охарактеризовать как "полярно-ковалентные", "неполярно-ковалентные" или "ионные", это часто является относительным понятием: одна молекула может быть просто более полярной или менее полярной, чем другая. Тем не менее, следующие свойства типичны для таких молекул.

Точка кипения

При сравнении полярной и неполярной молекулы с аналогичными молярными массами, полярная молекула, как правило, имеет более высокую температуру кипения, поскольку диполь-дипольное взаимодействие между полярными молекулами приводит к более сильным межмолекулярным притяжениям. Одной из распространенных форм полярного взаимодействия является водородная связь, также известная как H-связь. Например, вода образует водородные связи и имеет молярную массу M = 18 и температуру кипения +100 °C, в то время как неполярный метан имеет M = 16 и температуру кипения –161 °C.

Растворимость

Из-за полярной природы самой молекулы воды, другие полярные молекулы обычно способны растворяться в воде. Большинство неполярных молекул нерастворимы в воде (гидрофобны) при комнатной температуре. Многие неполярные органические растворители, такие как скипидар, способны растворять неполярные вещества.

Поверхностное напряжение

Полярные соединения обычно обладают более высоким поверхностным натяжением, чем неполярные.

Капиллярное действие

Полярные жидкости имеют тенденцию подниматься вверх против силы тяжести в трубке малого диаметра.

Вязкость

Полярные жидкости, как правило, более вязкие, чем неполярные. Например, неполярный гексан значительно менее вязкий, чем полярная вода. Однако размер молекул оказывает гораздо большее влияние на вязкость, чем полярность: соединения с более крупными молекулами более вязкие, чем соединения с более мелкими молекулами. Таким образом, вода (состоящая из малых полярных молекул) менее вязкая, чем гексадекан (состоящий из крупных неполярных молекул).

Полярные молекулы

Полярная молекула имеет результирующий диполь из-за противоположно направленных зарядов (то есть наличия частичных положительных и частичных отрицательных зарядов) в полярных связях, расположенных асимметрично. Вода (H2O) является примером полярной молекулы, поскольку имеет небольшой положительный заряд на одной стороне и небольшой отрицательный заряд на другой. Диполи не компенсируют друг друга, что приводит к образованию результирующего диполя. Дипольный момент воды зависит от её агрегатного состояния. В газовой фазе он составляет ≈ 1,86 дебая (D), в то время как у жидкой воды (≈ 2,95 D) и льда (≈ 3,09 D) он выше из-за различной водородной связи. Другие примеры включают сахара (например, сахарозу), которые содержат множество полярных кислород-водородных групп (−OH) и в целом обладают высокой полярностью. Если дипольные моменты связей в молекуле не компенсируют друг друга, то молекула является полярной. Например, молекула воды (H2O) содержит две полярные связи O−H в изогнутой (нелинейной) геометрии. Дипольные моменты связей не компенсируются, поэтому молекула образует молекулярный диполь с отрицательным полюсом на атоме кислорода и положительным полюсом посередине между двумя атомами водорода. На рисунке каждая связь соединяет центральный атом O с отрицательным зарядом (красный) с атомом H с положительным зарядом (синий). Молекула фтористого водорода, HF, является полярной благодаря полярной ковалентной связи, в которой электроны ковалентной связи смещены к более электроотрицательному атому фтора. Аммиак, NH3, – это молекула, три связи N−H которой обладают лишь небольшой полярностью (в направлении более электроотрицательного атома азота). Молекула имеет два неподеленных электрона на орбитали, направленной к четвертой вершине приблизительно правильного тетраэдра, что предсказывается теорией VSEPR. Эта орбиталь не участвует в ковалентной связи; она богата электронами, что приводит к сильному диполю по всей молекуле аммиака. В молекулах озона (O3) две связи O−O неполярны (нет разницы в электроотрицательности между атомами одного и того же элемента). Однако распределение остальных электронов неравномерно, поскольку центральному атому необходимо делиться электронами с двумя другими атомами, а каждому из внешних атомов – только с одним другим атомом, в результате чего центральный атом испытывает больший дефицит электронов, чем остальные (центральный атом имеет формальный заряд +1, а внешние атомы – формальный заряд −). Поскольку молекула имеет изогнутую геометрию, результатом является диполь по всей молекуле озона.

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 (BF3) имеет тригональную плоскую структуру с тремя полярными связями, расположенными под углом 120°. Это приводит к отсутствию суммарного дипольного момента в молекуле. Углекислый газ (CO2) содержит две полярные связи C=O, но геометрия CO2 линейна, поэтому дипольные моменты этих связей компенсируют друг друга, и результирующий молекулярный дипольный момент равен нулю; молекула неполярна. Примеры бытовых неполярных соединений включают жиры, масла и бензин. В молекуле метана (CH4) четыре связи C−H расположены тетраэдрически вокруг атома углерода. Каждая связь обладает полярностью (хотя и не очень выраженной). Связи расположены симметрично, поэтому суммарный дипольный момент молекулы равен нулю. Двухатомная молекула кислорода (O2) не имеет полярности в ковалентной связи из-за равной электроотрицательности атомов, следовательно, молекула в целом неполярна.

Амфифильные молекулы

Крупные молекулы, имеющие один конец с присоединенными полярными группами, а другой – с неполярными, 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 снижают поверхностное натяжение на границе раздела масло-вода, адсорбируясь на этой границе.

Прогнозирование полярности молекулы

Формула Описание Пример Название Дипольный момент Полярный AB Линейные молекулы CO Окись углерода 0.112 HAx Молекулы с одной H HF Фторид водорода 1.86 AxOH Молекулы с OH на одном конце C2H5OH Этанол 1.69 OxAy Молекулы с O на одном конце H2O Вода 1.85 NxAy Молекулы с N на одном конце NH3 Аммиак 1.42 Неполярные A2 Диатомические молекулы одного и того же элемента O2 Диоксиген 0.0 CxAy Большинство углеводородных соединений C3H8 Пропан 0.083 CxAy Углеводороды с центром инверсии C4H10 Бутан 0.0

Определение точечной группы – полезный способ предсказать полярность молекулы. В общем случае, молекула не будет обладать дипольным моментом, если отдельные дипольные моменты связей в молекуле компенсируют друг друга. Это связано с тем, что дипольные моменты являются евклидовыми векторными величинами, имеющими величину и направление, и два равных по величине вектора, направленных в противоположные стороны, взаимно уничтожаются. Любая молекула, содержащая центр инверсии ("i") или горизонтальную зеркальную плоскость ("σh"), не будет обладать дипольным моментом. Аналогично, молекула с более чем одной осью вращения Cn также не будет обладать дипольным моментом, поскольку дипольные моменты не могут лежать более чем в одном направлении. Как следствие этого ограничения, все молекулы с диэдрической симметрией (Dn) не будут иметь дипольный момент, поскольку, по определению, точечные группы D имеют две или более осей Cn. Поскольку точечные группы C1, Cs, C∞h, Cn и Cnv не содержат центра инверсии, горизонтальных зеркальных плоскостей или нескольких осей Cn, молекулы, принадлежащие к одной из этих точечных групп, будут обладать дипольным моментом.

Электрическое отклонение воды

Вопреки распространенному заблуждению, электрическое отклонение струи воды от заряженного объекта не связано с полярностью. Отклонение происходит из-за электрически заряженных капель в струе, которые индуцируются заряженным объектом. Струя воды также может отклоняться в однородном электрическом поле, которое не способно оказывать силу на полярные молекулы. Кроме того, после заземления струи воды, ее отклонение становится невозможным. Слабое отклонение возможно даже для неполярных жидкостей.