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 молекулы характеризуется значением электрического момента диполя μ _мол, который равен векторной сумме электрических моментов диполей всех связей и несвязывающих электронных пар, расположенных на гибридных АО: _{→ →}

_{n m}

m _м-лы = å (m_связи)_i + å (m_{несвяз.эл.пары})_j.

i=1 j=1

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 (m _м-лы = å m_связи = 0). По этой же причине неполярны высокосимметричные тетраэдрические молекулы СН₄, СF₄, октаэдрическая молекула SF₆ и т. д.

В угловой молекуле Н₂О полярные связи О–Н располагаются под углом 104, 5º: _{→ →}

_{n=2 m=2}

m_Н2О = å m_O–H + å m_{несвяз.эл.пары} ¹ 0.

i=1 j=1

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).

Таблица 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, расположенные на гибридных орбиталях и имеющие собственный электрический момент диполя (направление вектора – от ядра, по оси расположения гибридной АО). 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.

3.8. Алгоритм выполнения заданий по теме «Химическая связь. Строение молекул»

1. Написать электронные формулы валентных электронов в атомах, входящих в состав молекулы

2. Расположить валентные электроны по квантовым ячейкам в основном или возбужденном состоянии атомов.

3. Определить электроны, участвующие в образовании химических связей (определить валентность атомов элементов).

4. Изобразить перекрывание валентных электронных облаков атомов с учетом возможности их гибридизации и требования их максимального перекрывания. Определить количество, тип связей, механизм их образования.

5. Определить геометрическую форму молекулы (для наглядности изобразить химические связи черточками).

Примечания: а) молекулы общей формулы АВ₂ с sp-гибридизацией центрального атома А имеют линейную форму:

Угол между связями ВАВ равен 1800.

б) молекулы общей формулы АВ₃ с sp²-гибридизацией центрального атома А имеют форму плоского треугольника:

Угол между связями ВАВ равен 1200.

в) молекулы общей формулы АВ₄ с sp³-гибридизацией центрального атома А имеют форму тетраэдра:

Угол между связями ВАВ равен 109028`.

г) молекулы общей формулы АВ₃ (или АВ₃Е, где Е – несвязывающая электронная пара центрального атома А) с sp³-гибридизацией центрального атома А имеют форму тригональной пирамиды (NH₃, NF₃ и другие молекулы, образованные аналогами азота):

Угол между связями ВАВ равен 107, 3.

д) молекулы общей формулы АВ₂ (или АВ₂Е₂, где Е – несвязывающая электронная пара центрального атома А) с sp³-гибридизацией центрального атома А имеют форму тригональной пирамиды (H₂О, H₂S и другие молекулы, образованные аналогами кислорода):

Угол между связями ВАВ равен 104, 50.

е) пункты а), б), в) касаются строения молекул, рассмотренных с применением теории гибридизации Полинга, пункты г) и д) – теории полной гибридизации Джиллеспи.

6. Определить полярность химических связей на основании расчета разности относительных электроотрицательностей (DЭО) элементов:

а) если DЭО ¹ 0, m_связи ¹ 0, связь полярна, нужно указать вектор связи m_связи;

б) если DЭО = 0, m_связи = 0, связь неполярна и вектор связи m_связи отсутствует.

7. Определить полярность молекулы (определить электрический момент диполя молекулы m_м-лы), используя табл. 3.2:

_{n → m →}

m _м-лы = å (m_связи)_i + å (m_{несвяз.эл.пары})_j.

i=1 j=1

Несвязывающие электронные пары, расположенные на гибридных орбиталях (теория Джиллеспи), имеют собственный электрический момент диполя (направление от ядра центрального атома по оси расположения гибридной АО).

а) если m_м-лы = 0, молекула неполярна;

б) если m_м-лы ¹ 0, молекула полярна.