Химическая полярность - Chemical polarity
 | Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. (Январь 2015) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
В химия, полярность это разделение электрический заряд приводит к молекуле или ее химические группы имея электрический дипольный момент, с отрицательно заряженным концом и положительно заряженным концом.
Полярные молекулы должны содержать полярные облигации из-за разницы в электроотрицательность между связанными атомами. Полярная молекула с двумя или более полярными связями должна иметь геометрия который асимметричен хотя бы в одном направлении, так что диполи облигаций не отменяют друг друга.
Полярные молекулы взаимодействуют через диполь-диполь. межмолекулярные силы и водородные связи. Полярность лежит в основе ряда физических свойств, включая поверхностное натяжение, растворимость, а также температуры плавления и кипения.
Полярность облигаций
Не все атомы притягивают электроны с одинаковой силой. Величина "притяжения", которую атом оказывает на свои электроны, называется его силой. электроотрицательность. Атомы с высокой электроотрицательностью, такие как фтор, кислород, и азот - оказывают большее притяжение на электроны, чем атомы с более низкой электроотрицательностью, такие как щелочных металлов 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 электрический диполь: разделение положительного и отрицательного электрического заряда. Поскольку количество разделенного заряда в таких диполях обычно меньше, чем основной заряд, они называются частичные сборы, обозначаемый как δ + (дельта плюс) и δ− (дельта минус). Эти символы были введены Сэр Кристофер Ингольд и Доктор Эдит Хильда (Ашервуд) Ингольд в 1926 г.[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
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 называть ионная связь, и возникает, когда разница между электроотрицательностями настолько велика, что один атом фактически забирает электрон у другого. Термины «полярный» и «неполярный» обычно применяются к ковалентные связи, то есть связи с неполной полярностью. Чтобы определить полярность ковалентной связи с помощью числовых средств, используется разность электроотрицательностей атомов.
Полярность связи обычно делится на три группы, которые в общих чертах основаны на разнице в электроотрицательности между двумя связанными атомами. Согласно Шкала Полинга:
- Неполярные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательность между двумя атомами меньше 0,5
- Полярные облигации 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 частичный ионный характер связи, которая 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 преимущественно ионной связи.[3]
Как квантово-механический описание, Полинг предположил, что волновая функция для полярной молекулы AB является линейная комбинация волновых функций ковалентных и ионных молекул: ψ = aψ (A: B) + bψ (A+B−). Величина ковалентного и ионного характера зависит от значений квадратов коэффициентов a2 и б2.[4]
Полярность молекул
Хотя молекулы можно описать как «полярные ковалентные», «неполярные ковалентные» или «ионные», это часто относительный термин, когда одна молекула просто более полярный или же более неполярный чем другой. Однако для таких молекул характерны следующие свойства.
Молекула состоит из одной или нескольких химических связей между молекулярные орбитали разных атомов. Молекула может быть полярной либо в результате полярных связей из-за различий в электроотрицательность как описано выше, или в результате асимметричного расположения неполярных ковалентных связей и несвязывающих пар электронов, известного как полный молекулярная орбиталь.
Полярные молекулы
Полярная молекула имеет сетку диполь в результате противоположных зарядов (т.е. имеющих частичные положительные и частичные отрицательные заряды) от полярных связей, расположенных асимметрично. Вода (ЧАС2О) 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 обычно могут растворяться в воде. В жидкой воде молекулы обладают распределением дипольных моментов (диапазон ≈ 1,9 - 3,1 Д (Дебай ))[нужна цитата ] из-за разнообразия сред с водородными связями. Другие примеры включают сахара (например, сахароза ), у которых много полярных кислород – водород (-OH) группы и в целом очень полярны.
Если дипольные моменты связи молекулы не сокращаются, молекула полярна. Например, молекула воды (ЧАС2O) содержит две полярные связи O − H в согнутый (нелинейная) геометрия. Дипольные моменты связи не сокращаются, 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).
В фтороводород, HF, молекула полярна в силу полярных ковалентных связей - в ковалентной связи электроны смещены в сторону более электроотрицательного атома фтора.
Аммиак, NH3, 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 предсказано (Теория VSEPR ). Эта орбиталь не участвует в ковалентном связывании; он богат электронами, что приводит к образованию мощного диполя во всей молекуле аммиака.
В озон (O3) молекулы, 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 официальное обвинение +1, в то время как внешние атомы имеют 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. Одна из распространенных форм полярного взаимодействия - это водородная связь, которая также известна как Н-связь. Например, вода образует водородные связи и имеет молярную массу M = 18 и температуру кипения +100 ° C по сравнению с неполярной. метан 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 (BF3) имеет тригональное плоское расположение трех полярных связей под углом 120 °. Это приводит к отсутствию полного диполя в молекуле.
Углекислый газ (CO2) имеет две полярные связи C = O, но геометрия CO2 является линейным, так что два дипольных момента связи сокращаются и нет чистого молекулярного дипольного момента; молекула неполярна.
Примеры бытовых неполярных соединений включают жиры, масло и бензин / бензин. Большинство неполярных молекул нерастворимы в воде (гидрофобный ) при комнатной температуре. Многие неполярные органические растворители, Такие как скипидар, способны растворять неполярные вещества.
в метан молекула (CH4) 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. Двухатомный кислород молекула (O2) не имеет полярности в ковалентной связи из-за одинаковой электроотрицательности, следовательно, в молекуле нет полярности.
Амфифильные молекулы
Большие молекулы, у которых на одном конце прикреплены полярные группы, а на другом конце - неполярные группы, описываются как амфифилы или же амфифильный молекулы. Они хороши поверхностно-активные вещества и может способствовать образованию стабильных эмульсий или смесей воды и жиров. Поверхностно-активные вещества снижают межфазное натяжение между маслом и водой за счет адсорбирующий на границе жидкость – жидкость.
Эта амфифильная молекула имеет несколько полярных групп (гидрофильный, любящий воду) с правой стороны и длинной неполярной цепочкой (липофильный, жиролюбивый) с левой стороны. Это дает поверхностно-активное вещество характеристики
А мицелла - в липофильный концы молекул ПАВ растворяются в масле, а гидрофильный заряженные концы остаются снаружи в водной фазе, защищая остальную часть гидрофобный мицелла. Таким образом, маленькая капля масла становится водорастворимой.
Фосфолипиды эффективные натуральные поверхностно-активные вещества, которые выполняют важные биологические функции
Поперечный разрез конструкций, которые могут быть образованы фосфолипиды. Они могут сформировать мицелла и жизненно важны для формирования клеточные мембраны
Прогнозирование полярности молекул
| Формула | Описание | Пример | Имя | Дипольный момент | |
|---|---|---|---|---|---|
| Полярный | AB | Линейные молекулы | CO | Монооксид углерода | 0.112 |
| HAИкс | Молекулы с одним H | HF | Фтористый водород | 1.86 | |
| АИксОЙ | Молекулы с ОН на одном конце | C2ЧАС5ОЙ | Этиловый спирт | 1.69 | |
| ОИксАy | Молекулы с буквой O на одном конце | ЧАС2О | Вода | 1.85 | |
| NИксАy | Молекулы с буквой N на одном конце | NH3 | Аммиак | 1.42 | |
| Неполярный | А2 | Двухатомные молекулы того же элемента | О2 | Диоксид | 0.0 |
| CИксАy | Большинство углеводородных соединений | C3ЧАС8 | Пропан | 0.083 | |
| CИксАy | Углеводород с центр инверсии | C4ЧАС10 | Бутан | 0.0 |
Определение точечная группа это 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 евклидов вектор величины с величиной и направлением, и два равных вектора, которые противостоят друг другу, уравняются.
Любая молекула с центром инверсии («i») или горизонтальной зеркальной плоскостью («σчас") не будет обладать дипольными моментами. Точно так же молекула с более чем одним Cп ось вращения не будет обладать дипольным моментом, потому что дипольные моменты не могут лежать более чем в одном измерение. Вследствие этого ограничения все молекулы с двугранная симметрия (Dп) не будет иметь дипольного момента, потому что, по определению, точечные группы D имеют два или несколько Cп топоры.
Поскольку C1, Сs, С∞h Cп и Cпv точечные группы не имеют центра инверсии, горизонтальных зеркальных плоскостей или кратных Cп оси молекулы в одной из этих точечных групп будут иметь дипольный момент.
Электрическое отклонение воды
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. 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. Слабый прогиб возможен даже для неполярных жидкостей.[5]
Смотрите также
- Химические свойства
- Коллоидный
- Моющее средство
- Электроотрицательность элементов (страница данных)
- Группа полярных точек
Рекомендации
- ^ Дженсен, Уильям Б. (2009). "Происхождение символа" Дельта "для дробных сборов". J. Chem. Образовательный. 86 (5): 545. Bibcode:2009JChEd..86..545J. Дои:10.1021 / ed086p545.
- ^ Ingold, C.K .; Ингольд, Э. Х. (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. Дои:10.1039 / jr9262901310.
- ^ Полинг, Л. (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. стр.98–100. ISBN 0801403332.
- ^ Полинг, Л. (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. п.66. ISBN 0801403332.
- ^ Зиаи-Моайед, Марьям; Гудман, Эдвард; Уильямс, Питер (2000-11-01). «Электрическое отклонение полярных жидкостных потоков: непонятая демонстрация». Журнал химического образования. 77 (11): 1520. Bibcode:2000JChEd..77.1520Z. Дои:10.1021 / ed077p1520. ISSN 0021-9584.