Электрические свойства молекул

Электрические свойства молекул. Полярность молекул

Как уже говорилось выше, молекула представляет собой систему из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных молекулярных электронных орбиталей. Если центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, то такие молекулы называют неполярными, а вещества, состоящие из неполярных молекул, — неполярными веществами. Примером неполярных могут служить молекулы, состоящие из атомов одного вида (0₂, N₂, Н₂ — так называемые простые вещества), или сложные многоатомные молекулы с симметричным распределением электронной плотности: С0₂ (0=С=0), СС1₄.

Если же центры тяжести зарядов не совпадают (в одной части молекулы преобладает положительный, в другой — отрицательный заряд), то такие молекулы называют полярными, а вещества, состоящие из полярных молекул, — полярными веществами. Несовпадение зарядов обусловлено различной электроотрицательностью атомов, входящих в состав молекулы и несимметричностью расположения электронной плотности относительно ядер. Это молекулы НС1, Н₂0 и т.п.

Из-за смещения зарядов относительно друг друга полярные молекулы образуют электрические диполи. Диполь — система одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов (так называемых эффективных зарядов 5 + и 5 _ ) в электронейтральной молекуле. Диполь характеризуется дипольным моментом — произведением эффективного заряда 5 на расстояние между зарядами I:

В системе СИ единицей измерения дипольного момента является [Кл • м], но на практике чаще используют несистемную размерность — дебай [1] [D]: 1 D = 3,336 • 10-зоКл • м.

Для сложных молекул дипольный момент равен векторной сумме дипольных моментов всех связей (рис. 1.28).

В четыреххлористом углероде СС1₄ все четыре связи сильно полярные (ц = 2,05 D), но они симметрично расположены вокруг атома углерода, поэтому дипольные моменты связей компенсируют друг друга и общий дипольный момент молекулы равен нулю: СС1₄ — неполярное вещество.

В молекуле хлороформа СНС1₃ дипольные моменты связей не компенсируют друг друга. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в ней не совпадают: отрицательный заряд смещен в сторону трех атомов хлоров, а положительный — в сторону атома водорода. Молекула СНС1₃ в целом — диполь, ее ц = 1,06 D. В табл. 1.6 приведены дипольные моменты некоторых молекул.

Рис. 1.28. Примеры дипольных моментов

Дипольные моменты некоторых веществ

Дипольный момент, D

Как очевидно из приведенных данных, наибольшую полярность имеют ионные соединения Nal, КС1 и т.п. (такие молекулы существуют лишь в газовой фазе). Это вполне объяснимо: в них электронная плотность полностью смещена к одному из атомов и эффективный заряд 5 = 1,6 • 1СН 9 Кл, он равен заряду электрона. В неионных соединениях 5 всегда меньше заряда электрона, так как электронная плотность лишь смещена к одному из атомов. По этой причине дипольный момент их ниже, чем у ионных соединений.

Молекулы углекислого газа С0₂, так же как и воды Н₂0, состоят из трех атомов, соединенных полярными связями. Но в С0₂ эти связи расположены симметрично: 0=С=0. По этой причине С0₂ — неполярное вещество. В молекуле же Н₂0 связи образуют угол -105°, вследствие чего центры положительных и отрицательных зарядов оказываются смещенными: вода — сильно полярное вещество, а ее молекулы — диполи (рис. 1.29).

Таким образом, дипольный момент может служить мерой полярности веществ: чем больше ц, тем полярнее вещество.

Рис. 1.29. Поляризация молекул под действием внешнего электрического поля:

1 — неполярные молекулы (а) под действием электрического поля превращаются в диполи (б); 2 — полярные молекулы (а) еще сильнее поляризуются и ориентируются вдоль электрического поля (б)

Кроме «чисто» полярных и неполярных принято выделять вещества, в целом полярные (их молекулы имеют дипольный момент), но имеющие очень развитую неполярную часть молекулы, придающую ей уникальные свойства. Например, действующим началом различных моющих средств, в частности мыла, являются стеарат (C_]7H_3SCOONa) и пальмитат (С₎₅Н_3]СООЫа) натрия или калия (жидкие мыла). В молекулах таких веществ есть полярная часть — карбоксильная группа с ионом натрия, которая обусловливает полярность молекулы в целом, есть и неполярная часть — длинный углеводородный радикал.

Полярные и неполярные молекулы (Пример)

ЧТО ТАКОЕ ПОЛЯРНЫЕ И НЕПОЛЯРНЫЕ МОЛЕКУЛЫ

Во всякой молекуле имеются как положительно заряженные частицы — ядра атомов, так и отрицательно заряженные — электроны. Для каждого рода частиц (или, вернее, зарядов) можно найти такую точку, которая будет являться как бы их «электрическим центром тяжести».

Эти точки называются полюсами молекулы. Если в молекуле электрические центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадут, то молекула будет неполярной.

Пример неполярной молекулы

Таковы, например, молекулы Н₂, N₂, образованные одинаковыми атомами, у которых общие пары электронов в равной мере принадлежат обоим атомам, а также многие симметрично построенные молекулы с атомной связью, например метан СН₄, четыреххлористый углерод ССl₄.

Но если молекула построена несимметрично, например состоит из двух разнородных атомов, то, как мы уже говорили, общая пара электронов может быть в большей или меньшей степени смещена в сторону одного из атомов. Очевидно, что в этом случае, вследствие неравномерного распределения положительных и отрицательных зарядов внутри молекулы, их электрические центры тяжести не совпадут и получится полярная молекула (рис.).

Полярные молекулы это

Полярные молекулы являются диполями. Этим термином обозначают вообще всякую электронейтральную систему, т. е. систему, состоящую из положительных и отрицательных зарядов, распределенных таким образом, что их электрические центры тяжести не совпадают.

Расстояние между электрическими центрами тяжести тех и других зарядов (между полюсами диполя) называется длиной диполя. Длина диполя характеризует степень полярности молекулы. Понятно, что для различных полярных молекул длина диполя различна; чем она больше, тем резче выражена полярность молекулы.

Рис. 2. Схемы строения молекул СO2 и CS2

На практике степень полярности тех или иных молекул устанавливают путем измерения так называемого дипольного момента молекулы т, который определяется как произведение длины диполя l на заряд его полюса е:

т = l • е

Величины дипольных моментов связаны с некоторыми свой-ствами веществ и могут быть определены экспериментальным путем. Порядок величины т всегда 10 -18 , так как заряд элек трона равен 4,80 • 10 -10 электростатических единиц, а длина диполя — величина того же порядка, что и диаметр молекулы, т. е. 10 -8 см. Ниже приведены дипольные моменты молекул некоторых неорганических веществ.

Дипольные моменты

Дипольные моменты некоторых веществ

Хлористый водород……. 1,04

Двуокись углерода……. 0

Йодистый водород…….. 0,38

Окись углерода ……. 0,11

Сернистый газ. . . …… 1,6

Определение величин дипольных моментов позволяет сделать много интересных выводов относительно строения различных молекул. Рассмотрим некоторые из этих выводов.

Рис. 3. Схема строения молекулы воды

Как и следовало ожидать, дипольные моменты молекул водорода и азота равны нулю; молекулы этих веществ совершенно симметричны и, следовательно, электрические заряды в них распределены равномерно. Отсутствие полярности у двуокиси углерода и у сероуглерода показывает, что их молекулы также построены симметрично. Строение молекул этих веществ схематически изображено на рис. 2.

Несколько неожиданным является наличие довольно большого дипольного момента у воды. Так как формула воды аналогична формулам двуокиси углерода и сероуглерода, то следовало ожидать, что её молекулы будут построены так же симметрично, как и молекулы CS₂ и СО₂.

Полярные и неполярные молекулы понятие, как определить полярность

В данной теме будут рассмотрены свойства идеальных диэлектриков, т.е. таких веществ, у которых отсутствуют свободные заряды, и при нормальных условиях они являются изоляторами. Взаимодействуют ли диэлектрики с электрическим полем? Фарадей с помощью электроскопа и конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин, обнаружил, что, если между пластинами поместить диэлектрик, то емкость такого конденсатора увеличивается. Когда пространство между пластинами целиком заполнено диэлектриком, емкость конденсатора возрастает в ε раз по сравнению с емкостью “пустого” конденсатора тех же размеров. ε – величина, называемая диэлектрической проницаемостью, зависит от состава и строения диэлектрика и является основной макроскопической характеристикой свойств диэлектрика.

3.2.1. Полярные и неполярные молекулы

Учтем, что в составе атомов и молекул содержатся положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Для расстояний, больших по сравнению с размерами молекулы, наличие многих электронов эквивалентно действию их суммарного заряда, помещенного в центр тяжести положительного заряда. Тогда в целом оказывается, что атом или молекула электрически нейтральны.

Различают неполярные и полярные молекулы. В отсутствие внешнего электрического поля у неполярной молекулы центр тяжести положительного заряда совпадает с центром тяжести отрицательного заряда. Для полярной молекулы центр тяжести положительного заряда не совпадает с центром тяжести отрицательного заряда, благодаря чему такая молекула эквивалентна электрическому диполю и обладает собственным дипольным моментом (Рис. 3.2.1):

Рис. 3.2.1. Дипольный момент полярной молекулы

где

(3.2.2)

(3.2.3)

есть радиус-векторы центра тяжести положительных и отрицательных зарядов, соответственно, – радиус – векторы точек, в которых помещаются i-й положительный и j-й отрицательный заряды в атоме или молекуле, q – суммарный заряд атома или молекулы.

Подставляя (3.2.2) и (3.2.3) в (3.2.1), получаем:

(3.2.4)

Неполярная молекула собственным дипольным моментом не обладает, однако под действием электрического поля заряды в ней смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные – против. В результате молекула приобретает электрический момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряженности поля:

(3.2.5)

где α – поляризуемость молекулы (имеет размерность объема).

Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды атома (молекулы) были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому неполярная молекула под действием поля ведет себя как упругий диполь.

Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля. Полярная молекула во внешнем поле представляет собой жесткий диполь.

В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы), или распределены по направлениям в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего электрического поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что суммарный электрический момент диэлектрика становится отличным от нуля. В качестве меры поляризации диэлектрика принимают вектор поляризации – дипольный момент единицы объема:

(3.2.6)

Опыт показывает, что для большинства диэлектриков выполняется соотношение:

(3.2.7)

где χ – диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина).

3.2.2. Процесс поляризации
однородного диэлектрика

Процесс поляризации диэлектрика существенно связан с его внутренним строением.

Различают три основных типа поляризации:

электронную;
ионную;
дипольную (реориентационную).

Электронная поляризация связана с малыми деформациями электронных облаков любых атомов. Это означает, что данный тип поляризации присущ любым диэлектрикам – как полярным, так и неполярным. Электронная поляризуемость пропорциональна кубу атомного радиуса, т.е. чем крупнее атомы, тем они сильнее поляризуются. Температурная зависимость свойств диэлектрика с преимущественно электронной поляризацией слабо выражена. В чистом виде этот тип поляризации присутствует, например, в кристаллах с ковалентной химической связью, образованных из атомов одного сорта: алмаз, кремний, германий.

Ионная поляризация добавляется к электронной, если кристалл образован за счет кулоновского взаимодействия разноименно заряженных ионов (ионная химическая связь). В процессе действия электрического поля, наряду с малыми деформациями электронных облаков ионов, происходит смещение отрицательных ионов к положительному направлению электрического поля, положительно заряженных – к отрицательному направлению. Как результат, возникает перераспределение зарядов внутри вещества, причем на границах образца, обращенных к положительному направлению электрического поля, возникает отрицательный заряд, поскольку такие заряды выдвинулись изнутри, на противоположной границе – положительный заряд. Такие поверхностные заряды называют поляризационными , или связанными . Следовательно, образуется индуцированный дипольный момент, который исчезает, если выключить внешнее поле. Такие вещества обладают существенно большими значениями диэлектрической проницаемости по сравнению с ковалентными кристаллами. Температурная зависимость свойств диэлектрика с преимущественно ионной поляризацией также слабо выражена. Такая поляризация определяется химическим составом вещества и присуща большому количеству ионных кристаллов: NaCl, KCl, CsBr. .

Дипольная (реориентационная) поляризация дает преобладающий вклад в общую поляризацию вещества, если в его составе есть молекулы или молекулярные группы, обладающие постоянным электрическим моментом. Такие молекулы (молекулярные группы) должны быть образованы ионами с различной электроотрицательностью, что приводит к асимметрии расположения электрического заряда. Действие электрического поля, помимо электронной поляризации входящих в состав полярной молекулы или молекулярной группы атомов, приводит к поворотам дипольных молекул так, что их оси (или проекции на направление электрического поля) становятся параллельными внешнему полю. В результате, как и ранее, внутри диэлектрика формируется электрическое поле, направленное против внешнего, благодаря чему общее поле внутри диэлектрика будет в ε раз меньше, чем внешнее. Однако ориентирующему действию электрического поля противостоит тепловое движение молекул, производящее обратный эффект. С повышением температуры тепловое движение существенно уменьшает преимущественную ориентацию полярных молекул вдоль поля, благодаря чему в таких веществах диэлектрические свойства, например диэлектрическая проницаемость, также начинают зависеть от температуры по закону:

(3.2.16)

Здесь С – константа, Т – абсолютная температура. Обратная (гиперболическая) температурная зависимость в соответствии с соотношением (3.2.15) известна как закон Кюри .

В диэлектриках газах или жидкостях полярные молекулы имеют полную свободу вращательного движения под действием электрического поля, в твердых телах такие движения существенно ограничены малыми поворотами вокруг положения равновесия (отсюда термин – реориентационная поляризация). Ясно также, что в веществе, находящемся в одном из двух агрегатных состояний – жидком или твердом – диэлектрические свойства будут больше для жидкости. В целом количественный вклад дипольной поляризации обычно выше, чем ионной или электронной. Классический пример дипольного диэлектрика – вода (лед), где благодаря стереохимическому строению молекулы последняя обладает постоянным дипольным моментом р (Рис. 3.2.5).

Рис. 3.2.5. Постоянный электрический момент молекулы воды

В веществе, имеющем сложное химическое строение, различные механизмы поляризации могут быть представлены в комбинациях:

электронный;
электронный + ионный;
электронный + ионный + дипольный;
электронный + дипольный.

Наверх

Химическая полярность – Chemical polarity

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.

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 облигаций

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. 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 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 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.

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 .

Полярность молекул

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

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. Дипольный момент воды зависит от ее состояния. В газовой фазе дипольный момент составляет ≈ 1,86 Дебая (Д), тогда как жидкая вода (≈ 2,95 Д) и лед (≈ 3,09 Д) выше из-за разницы в окружении с водородными связями. Другие примеры включают сахара (например, сахарозу ), 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.

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, а 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. 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 тригонально-планарное расположение трех полярных связей под углом 120 °. Это не приводит к общему диполю в молекуле.

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.

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

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

Формула	Описание	Пример	Имя	Дипольный момент
Полярный	AB	Линейные молекулы	CO	Монооксид углерода	0,112
	HA _x	Молекулы с одним H	HF	Фтористый водород	1,86
	А _х ОН	Молекулы с ОН на одном конце	С ₂ Н ₅ ОН	Спирт этиловый	1,69
	O _x A _y	Молекулы с буквой O на одном конце	H ₂ O	Воды	1,85
	N _x A _y	Молекулы с буквой N на одном конце	NH ₃	Аммиак	1,42
Неполярный	А ₂	Двухатомные молекулы одного и того же элемента	O ₂	Дикислород	0,0
	C _x A _y	Большинство углеводородных соединений	С ₃ Н ₈	Пропан	0,083
	C _x A _y	Углеводород с центром инверсии	С ₄ Н ₁₀	Бутан	0,0

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 связано с тем, 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

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.

Полярность молекул (типы ковалентных молекул)

Следует отличать полярность молекулы от полярности связи. Для двухатомных молекул типа АВ эти понятия совпадают, как это уже показано на примере молекулы HCl. В таких молекулах чем больше разность электроотрицательностей элементов (∆ЭО), тем больше электрический момент диполя. Например, в ряду HF, HCl, HBr, HI он уменьшается в той же последовательности, как и относительная электроотрицательность.

Молекулы могут быть полярными и неполярными в зависимости от характера распределения электронной плотности молекулы. Полярность молекул характеризуется значением электрического момента диполя μ_м, который равен векторной сумме электрических моментов диполей всех связей и несвязывающих электронных пар в молекулах. Результат сложения зависит от полярности связей, геометрического строения молекулы, наличия неподеленных электронных пар. Большое влияние на полярность молекулы оказывает её симметрия.

Например, молекула СО₂ имеет симметричное линейное строение:

Поэтому, хотя связи С=О и имеют сильно полярный характер, вследствие взаимной компенсации их электрических моментов диполя молекула СО₂ в целом неполярна (). По этой же причине неполярны высокосимметричные тетраэдрические молекулы СН₄, СF₄, октаэдрическая молекула SF₆ и т. д.

Напротив, в угловой молекуле Н₂О полярные связи О–Н располагаются под углом 104,5º. Поэтому их моменты взаимно не компенсируются и молекула оказывается полярной ().

Электрическим моментом диполя обладают также угловая молекула SO₂, пирамидальные молекулы NH₃, NF₃ и т. д. Отсутствие такого момента

свидетельствует о высокосимметричной структуре молекулы, наличие электрического момента диполя – о несимметричности структуры молекулы (табл. 3.2).

Строение и ожидаемая полярность молекул

Тип	Пространственная конфигурация	Ожидаемая полярность	Примеры
	Линейная	Неполярная	, ,
	Линейная	Полярная	,
	Линейная	Неполярная	, ,
	Угловая	Полярная	, ,
	Линейная	Полярная
	Плоскотреугольная	Неполярная	,
	Тригонально-пирамидальная	Полярная	, ,
	Тетраэдрическая	Неполярная	, ,

На значение электрического момента диполя молекулы сильно влияют несвязывающие электронные пары. Например, молекулы NH₃ и NF₃ имеют одинаковую тригонально-пирамидальную форму, полярность связей N–H и N–F также примерно одинакова. Однако электрический момент диполя NH₃ равен 0,49·10 -29 Кл·м, а NF₃ всего 0,07·10 -29 Кл·м. Это объясняется тем, что в NH₃ направление электрического момента диполя связывающей N–H и несвязывающей электронной пары совпадает и при векторном сложении обусловливает большой электрический момент диполя. Наоборот, в NF₃ моменты связей N–F и электронной пары направлены в противоположные стороны, поэтому при сложении они частично компенсируются (рис. 3.15).

Рис 3.15. Сложение электрических моментов диполя связывающих и несвязывающих электронных пар молекул NH₃ и NF₃

Неполярную молекулу можно сделать полярной. Для этого её надо поместить в электрическое поле с определенной разностью потенциалов. Под действием электрического поля «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются и возникает индуцированный или наведенный электрический момент диполя. При снятии поля молекула опять станет неполярной.

Под действием внешнего электрического поля полярная молекула поляризуется, т. е. в ней происходит перераспределение зарядов, и молекула приобретает новое значение электрического момента диполя, становится ещё более полярной. Это может происходить и под влиянием поля, создаваемого приблизившейся полярной молекулой. Способность молекул поляризоваться под действием внешнего электрического поля называют поляризуемостью.

Полярностью и поляризуемостью молекул обусловлено межмолекулярное взаимодействие. С электрическим моментом диполя молекулы связана реакционная способность вещества, его растворимость. Полярные молекулы жидкостей благоприятствуют электролитической диссоциации растворенных в них электролитов.

Особенности полярной и неполярной химической связи

Неполярная и полярная химическая связь

Определение, общие сведения

Точное знание о строении атомного ядра химических элементов определилось в науке только в начале прошлого века. До этого из-за незнания о существовании электронов связь между частицами веществ объяснялось понятием о валентности.

В начале XVIII века ирландский химик Уильям Хиггинс опубликовал работу, где описал существование «неких связей между частицами веществ, которые являются соединительными связями между химическими элементами и их частицами».

Это заявление стало предвестником теории о валентности, а позже — теории о химических связях. Эта теория смогла объяснить химические свойства и особенности веществ, которые окружали человека.

Феномен химических связей объясняется стремлением всего к упорядочиванию. Химические элементы, атомы и их частицы стремятся к созданию уже определенных более устойчивых структур при меньших энергетических затратах. Разные вещества, с отличающимися свойствами, образуют разные химические связи, которые имеют особенные характеристики.

Современная химия различает несколько видов связей:

металлическая;
ковалентная;
ионная;
водородная;
ван-дер-ваальсова.

Наиболее распространенным типом химической связи является ковалентная связь.

Ковалентная химическая связь — химическая связь, которая образуется при взаимодействии атомов, по средствам перекрывания пар орбиталей их валентных электронов.

Теория об особых видах связи между частицами подтвердилась благодаря американскому химику Гилберту Льюису, который предложил теорию ковалентной связи в 1916 году. Благодаря этой теории ученый смог объяснить принцип связи между молекулами водорода Н2, азота N2, кислорода O2, галогенов (F2, Сl2, Вг2, I2).

Название ковалентной связи происходит от латинских «co» — совместно и «vales» — имеющий силу. Это название полностью определяет смысл ковалентной связи. В ходе обобществления валентных электронов происходит перекрытие орбиталей и объединение электронных пар.

Каждый из элементов связи получает необходимое для завершения последних энергетических уровней количество электронов, тем самым аккумулируя энергию связи по правилу октета.

Данный вид химической связи образуется между атомами химических элементов, относящихся к неметаллам. Все органические соединения образованы именно с помощью данного типа связи. Ковалентная связь характерна для простых веществ и сложных молекул.

Ковалентная связь при взаимодействии атомов бывает двух видов: полярная и неполярная. Атомы объединяются по типу обменного или донорно-акцепторного механизмов.

Образование ковалентной связи зависит от еще одного определения — электроотрицательности.

Электроотрицательность (ЭО) — способность атома в молекуле притягивать электронные пары в свою сторону.

В чем отличия, как различить

Ковалентная неполярная связь образуется между одинаковыми элементами. У таких соединений нет полюсов. Электроотрицательность двух атомов, вступающих в связь, одного химического элемента равна, а значит ни одна из частиц не притягивает электронные пары ближе к себе, электронная плотность распределяется равномерно.

Данный вид химической связи характерен для простых веществ: N2, F2, O2, H2 и других.

Ковалентная полярная связь образуется между веществами с разными ЭО. В таком случае, электронная связь смещается к элементу с бОльшей электроотрицательностью и появляется полярность соединения. Он становится отрицательно заряженным. Другой — положительно. Оба получают частичный заряд, а не почти полный (как в ионной связи). Они неярко выражены, а образовавшаяся молекула в целом имеет нейтральный заряд.

К таким соединениям относятся аммиак NH3, йодистый водород HI, вода H2O, хлористый водород HCl.

Графически полярная и неполярная ковалентная химическая связь выглядит так:

Образование связей, особенности, схема с примерами

Образование ковалентной связи приводит к возникновению новых общих электронных пар, располагающихся между центрами ядер атомов.

При ковалентной неполярной связи атомы одинаково вкладываются в создание электронных пар.

Образование молекулы хлора Cl2 происходит следующим образом:

Порядковый номер хлора согласно ПСХЭ Менделеева — 17. Это значит, что атом хлора имеет 17 электронов.

1 электронный слой имеет только 2 электрона.

2 слой заполняется по максимуму — 8 электронов.

3 слой обладает только 7 электронами. Ему не хватает еще одного для завершения электронного уровня.

Два атома хлора объединяются и предоставляют по одному неспаренному электрону друг другу для завершения электронного уровня — между ними возникает общая электронная пара.

Графически данный процесс выглядит следующим образом:

При ковалентной полярной связи один из атомов больше отдает, чем принимает, а второй — больше принимает, чем отдает электроны.

Образование молекулы фтористого водорода происходит следующим образом:

Водород Н имеет 1 электрон, фтор F – 9.

Водороду для завершения внешнего (1-го) электронного уровня не хватает 1 электрона. Фтору — также одного, однако изначально фтор обладает большей электроотрицательностью, чем водород в силу своего заряда. При образовании электронной связи он притягивает электронные пары к себе.

Графически данный процесс выглядит следующим образом:

Различают 2 вида механизмов образования ковалентных связей:

обменный;
донорно-акцепторный.

Первый тип встречается в природе гораздо чаще, нежели чем второй.

Обменный

Обменный механизм представляет собой взаимодействие между атомами, выполняющими одинаковые функции. Каждый из них предоставляет для процесса создания связи свободные (неспаренные) электроны.

По обменному механизму происходит образование H2, Cl2 и других соединений.

Донорно-акцепторный

Донорно-акцепторный механизм встречается, по сравнению с обменным, гораздо реже. Он характеризуется тем, что атомы, участвующие в создании химической связи, ведут себя различно. Один из них предоставляет электроны, а другой — место для них на своей свободной (вакантной) орбитали.

По донорно-акцепторному типу образован катион аммония NH4+ и комплексные соединения.

Графически данные механизмы выглядят так:

Гибридизация

Согласно модели атомного ядра, каждый атом химических элементов имеет орбитали разного типа — s, p, d, f. Атомы содержат эти орбитали независимо от количества электронов.

Гипотетический процесс смешения разных типов орбиталей у центрального атома многоатомной молекулы называется гибридизацией.

Гибридизация бывает следующих видов:

sp-гибридизация;
sp2-гибридизация;
sp3-гибридизация;
dsp2-гибридизация;
sp3d-гибридизация;
sp3d2-гибридизация.

Самыми распространенными являются первые 3.

Гибридные электронные орбитали, содержащие валентные электроны, способны участвовать в образовании химических связей. Тип гибридизации центрального атома обуславливает геометрию многоатомной молекулы.

Центральным атомом в молекуле метана СH4 является углерод, тип гибридизации орбиталей его валентных электронов sp3, такой тип гибридизации всегда предполагает тетраэдрическую форму. При sp2-гибридизации молекулы имеют треугольную форму. Типу гибридизации sp обуславливает линейную или угловую геометрию. dsp2-гибридизация приводит к квадратной форме, а sp3d2-гибридизация — к октаэдрической.

Элементарная физика

2.1 Полярные и неполярные молекулы

Диэлектриками (или изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Bce вещества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Однако вещества, называемые диэлектриками, проводят ток в раз хуже, чем вещества, называемые проводниками.

Ecли диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Чтобы понять, почему это происходит, нужно учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом +q, находящимся в центре «тяжести» положительных зарядов, а заряд всех электронов – суммарным отрицательным зарядом –q, находящимся в центре «тяжести» отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом, определяемым формулой (7.1)

У симметричных молекул в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такие молекулы не обладают собственным дипольным моментом и называются неполярными.

У несимметричных молекул центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. B этом случае молекулы обладают собственным дипольным моментом и называются полярными.

Под действием внешнего электрического поля заряды в неполярной молекуле смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные против поля. B результате молекула приобретает дипольный момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряженности поля. B рационализованной системе коэффициент пропорциональности записывают в виде , где – электрическая постоянная, а – величина, называемая поляризуемостью молекулы. Учтя, что направления и совпадают, можно написать

Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды молекулы были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому говорят, что неполярная молекула ведет себя во внешнем поле как упругий диполь.

Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля. На величину дипольного момента внешнее поле практически не влияет. Следовательно, полярная молекула ведет себя во внешнем поле как жесткий диполь.

К диэлектрикам относятся еще и вещества (NaCl, KCl, KBr, …), молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:

электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит;

ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура;

ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.