Полярные молекулы

Полярные и неполярные молекулы

Различаютдве разновидности ковалентной связи:неполярнуюи полярную.В случае неполярной ковалентной связиэлектронное облако, образованное общейпарой электронов, или электронное облакосвязи, распределяется в пространствесимметрично относительно обоих атомов.

Примером являются двухатомные молекулы,состоящие из атомов одного элемента:H2,Cl2,O2,N2,F2и другие, в которых электронная пара водинаковой мере принадлежит обоиматомам. В случае полярной ковалентнойсвязи электронное облако связи смещенок атому с большей относительнойэлектроотрицательностью.

Примероммогут служить молекулы летучихнеорганических соединений: HCl,H2O,H2S,NH3и другие.

Относительная электроотрицательность атомов

Электрическиецентры положительных и отрицательныхзарядов в молекуле не совпадают в однойточке, а находятся на некотором расстоянииℓ.

Полярнаямолекула с постоянным электрическиммоментом диполя

Молекулапри общей нейтральности представляетсобой электрический диполь с зарядомq-– у атома хлора и q+- у атома водорода. Такие связи и молекулыназываются полярными.Заряды атомов в молекуле qназываются эффективнымизарядами(вмолекуле HClqcl= -0,18; а qн=+0,18 абсолютного заряда электрона, степеньионности связи

18%).

Мераполярности связи и молекулы – электрическиймомент диполя (μ– «мю») определяется произведением

μ= qℓ,Кл∙м или μ = qℓ/3,33∙10-30,Д

Электрическиймомент диполя – векторная величина.Направление его условно принимают отположительного заряда к отрицательному– в сторону смещения связующегоэлектронного облака. Чем больше разностьэлектроотрицательностейэлементов вполярных молекулах,тем больше электрический момент диполя.

Длямногоатомных молекул следует различатьпонятия о дипольных моментах отдельныхсвязей и молекулы в целом.

Посколькупри наличии нескольких связей в молекулеих дипольные моменты складываются поправилу параллелограмма, то в зависимостиот формы молекулы, определяемойнаправленностью связей, результирующийдипольный момент отличается от дипольныхмоментов отдельных связей и в частномслучае (для высокосимметричных молекул)может быть равен нулю, несмотря назначительную полярность отдельныхсвязей. Например, линейная молекула СО2неполярна (μ = 0), хотя каждая связь С=Оимеет значительный дипольный момент(μ = 2,7 Д).

-δ +2δ -δ

О == С == О

2,7 Д 2,7 д

Молекулы,содержащие неполярную ковалентнуюсвязь, называются неполярнымиили гомеополярными.

У таких молекул связующее электронноеоблако распределяется симметричномежду ядрами обоих атомов, и ядра вравной мере действуют на него.

Примероммогут служить молекулы простых веществ,состоящие из атомов одного элемента:H2,Cl2,O2,N2,F2и другие. Электрический момент диполятаких молекул равен нулю.

Способностьмолекул (и отдельных связей) поляризоватьсяпод влиянием внешнего электрическогополя называется поляризуемостью.Это можетпроисходить и под влиянием поля,создаваемого приблизившейся полярноймолекулой. Поэтому поляризуемость имеетбольшое значение в химических реакциях.

Всегдаважно учитывать полярность молекулы иее электрический момент диполя. Споследним связана реакционная способностьвеществ.

Как правило, чем большеэлектрический момент диполя молекулы,тем выше реакционная способностьвещества. С электрическим моментомдиполя связана также и растворимостьвеществ.

Полярные молекулы жидкостейблагоприятствуют электрическойдиссоциации растворенных в нихэлектролитов по принципу «подобноерастворяется в подобном».

Полярные и неполярные молекулы. Дипольный момент

Доклад

Полярные и неполярные молекулы. Дипольный момент.

Афанасьевым Григорием

.

Представим себе, что можно найти “центры тяжести” отрицательных и положительных частей молекулы. Тогда условно все вещества можно разбить на две группы. Одну группу составляют те, в молекулах которых оба  “центра тяжести” совпадают. Такие молекулы называются неполярными.

К ним относятся все ковалентные двухатомные молекулы вида А2, а также молекулы, состоящие из трех и более атомов, имеющие высокосимметричное строение, например СО2, СS2 , СCl4 , С6 H6.

К ним относятся молекулы вида АВ, в которых элементы А и В имеют различную электроотрицательность, и многие более сложные молекулы. Систему из двух разноименных электрических зарядов, равных по абсолютной величине, называют диполем.

Полярность молекулы (и полярность связи) характеризуется дипольным моментом молекулы (или связи)

Величина дипольного момента сильно влияет на свойства полярных молекул и веществ, построенных из таких молекул.

Полярные молекулы поляризуются в электрическом поле, устанавливаясь по силовым линиям поля, ориентируются в электрических полях, создаваемых ионами в растворах, взаимодействуют между собой, замыкая свои электрические поля.

Дипольный момент образуется за счет смещения центров положительного и отрицательного зарядов на некоторую величину l, называемую длиной диполя.

Чем более полярны молекулы, чем значительнее смещены валентные электронные пары к одному из атомов, тем больше. И наоборот, если электрическая ассиметрия молекул незначительна, то величина   невлика  ..

Для системы из двух частиц дипольный момент равен:  = el.

Где e- величина заряда;l- расстояние между центрами. Однако, определяя сразу величину дипольного момента, мы не знаем ни величины заряда e, локализованного в полярной молекуле, ни расстояния между центрами l.

Принимаем e равным заряду электрона(1,6021*10-19Кл) и тогда получаем приведенную длину диполя l, которая является условной величиной. В качестве единицы измерения дипольных моментов принят дебай(названный в честь голландского физика П.Дебая, разработавшего теорию полярных молекул).в системе СИ   1D=0,33*10-29Кл*м.

Энергия электрического поля в конденсаторе U выражается соотношением:

U=1/2cV2,

где V- напряжение на обкладках конденсатора.

Из приведенного уравнения видно, что конденсатор в среде вещества имеет больший запас энергии, чем в вакууме (с>1). Это обусловлено тем, что под действием электрического поля происходит поляризация среды — ориентация диполей и деформация молекул. Первый эффект зависит от температуры, второй — не зависит.

Температурную зависимость относительно диэлектической проницаемости вещества e выражает уравнение Ланжевена-Дебая:

’

где М- относительная молекулярная масса вещества; — плотность вещества, NA- постоянная Авогадро; k- постоянная Больцмана, равная R/ NA (R- универсальная газовая постоянная); деформационная поляризуемость молекул.

Измерив  при двух температурах, с помощью уравнения Ланжевена-Дебая можно определить и . Есть и другие методы экспериментального определения

Значения дипольных моментов для некоторых связей между разнородными  атомами приведены в таблице:

Не следует путать дипольный момент связи и дипольный момент молекулы, так как в молекуле могут существовать несколько связей, дипольные моменты которых суммируются как векторы. Кроме того, на величину дипольного момента молекулы могут влиять  магнитные поля орбиталей, содержащих электронную пару,- «неподеленные» электроны. Большое влияние на полярность молекулы оказывает ее симметрия.

Например, молекула метана CH4  обладает высокой степенью симметрии (центрированный тетраэдр), и поэтому векторная сумма дипольных моментов связей (m=0,4D) равна нулю:

Smсв=0

рис.2. схема строения молекулы СО2

Связь С=О обладает дипольным моментом 2,7D, однако линейная молекула СО2

Является неполярной до тех пор, пока ее структура не исказится под действием других молекул(напр, Н2О).Структура линейной молекулы СО2, в которой атом углерода гибридизирован частично: 2s22p2       2s12p3      2q22p2 ,представлена на рис.2. Дипольные моменты связей, обладая различными знаками, дают общий депольный момент, равный нулю:

Smсв=0.

Таким образом, полярность молекул определяется довольно сложно, так как она учитывает все взаимодействия, которые могут возникнуть в такой сложной структуре, как молекула.

Кроме того, ”полярность” молекулы не определяется лишь величиной дипольного момента, а зависит также от размеров и конфигурации молекул. Например, молекула воды более резко проявляет свои полярные свойства (образование гидратов, растворимость и т.д.

), чем молекула этилового спирта, хотя дипольные моменты у них почти одинаковые (mн2о=1,84D; mс2н5он=1,70D).

Значения дипольных моментов для некоторых полярных молекул:

Дипольный момент полярной молекулы может изменять свою величину под действием внешних электрических полей, а также под действием электрических полей других полярных молекул, однако при удалении внешних воздействий дипольный момент принимает прежнюю величину.

Некоторые молекулы, неполярные в обычных условиях, могут получать  так называемый индуцированный или “наведенный” дипольный момент, тоже исчезающий при снятии поля.

Величина индуцированного момента в первом приближении пропорциональна напряженности электрического поля E: инд=0E, где — коэффициент поляризуемости, []=м3, e0-электрическая постоянная.

Физико-химические особенности полярных молекул  определяются их способностью реагировать на внешние электрические поля (электрическая поляризация) и на поля, созданные другими полярными молекулами. В частности, за счет взаимодействия с полярными молекулами воды  такие полярные молекулы, как HF, HCl и др.,могут подвергаться электролитической диссоциации.