Polarność cząsteczek
Polarność cząsteczki nie wynika z samego faktu, że zawiera ona polarne wiązania. Każde wiązanie wnosi wektor momentu dipolowego, a geometria decyduje, czy te wektory się znoszą, czy pozostaje niezerowy moment całej cząsteczki. Dlatego CO₂ i H₂O prowadzą do różnych wyników mimo polarnych wiązań z tlenem.
Od elektroujemności do dipola wiązania
Różnica elektroujemności przesuwa gęstość elektronową w stronę bardziej elektroujemnego atomu. Powstają ładunki cząstkowe δ+ i δ− oraz moment dipolowy wiązania. Nie jest to pełne przeniesienie elektronu jak w idealnym modelu jonowym.
Wartość momentu zależy zarówno od rozdzielenia ładunku, jak i od odległości między jego środkami. Sam znak różnicy elektroujemności mówi o kierunku, ale nie daje jeszcze polarności całej cząsteczki.
Geometria zamienia listę wiązań w sumę wektorową
Moment dipolowy cząsteczki jest sumą wektorową momentów wiązań i wkładów elektronowych. W liniowym CO₂ dwa równoważne wektory C=O mają przeciwne kierunki i się znoszą. W zgiętym H₂O nie leżą na jednej prostej, więc pozostaje moment netto.
Podobne znoszenie występuje w symetrycznych BF₃, CH₄, PF₅ i SF₆. Symetria jest więc równie ważna jak polarność pojedynczego wiązania.
Selektor geometrii i polarności
Pary wolne często łamią symetrię
Pary wolne zmieniają geometrię domen elektronowych i często usuwają warunki potrzebne do zniesienia dipoli. NH₃ jest piramidą trygonalną, a SO₂ ma kształt kątowy, dlatego obie cząsteczki są polarne.
Nie należy jednak stosować reguły „para wolna = cząsteczka polarna”. XeF₄ ma dwie pary wolne, lecz jego płaska kwadratowa geometria pozwala czterem dipolom Xe–F znosić się parami.
Polaryzacja wiązania i moment cząsteczki to różne pytania
Wiązanie może być wyraźnie polarne w cząsteczce o zerowym momencie całkowitym. Z drugiej strony słabo polarne wiązania mogą dawać mierzalny moment, jeśli geometria sprzyja ich dodawaniu.
Najbezpieczniejsza procedura to: narysować poprawną strukturę, ustalić geometrię, zaznaczyć kierunki dipoli i dopiero wtedy wykonać jakościową sumę wektorową.
Skutki międzycząsteczkowe
Cząsteczki polarne mogą oddziaływać przez siły dipol–dipol. Gdy wodór jest związany z N, O lub F, może pojawić się silnie kierunkowe wiązanie wodorowe. Wpływa to na rozpuszczalność, temperatury wrzenia i organizację faz skondensowanych.
Nie jest jednak prawdą, że każda bardziej polarna substancja musi mieć wyższą temperaturę wrzenia. W dużych cząsteczkach siły dyspersyjne mogą być bardzo silne, a kształt i możliwość tworzenia sieci oddziaływań też mają znaczenie.
Moment dipolowy jest wielkością mierzalną
Momenty dipolowe podaje się często w debye (D). Pomiar sprawdza rzeczywisty rozkład ładunku; proste strzałki polarności są modelem jakościowym, a nie pełnym obliczeniem kwantowym.
Zerowy moment dipolowy nie oznacza braku polaryzacji elektronowej ani braku oddziaływań. Oznacza jedynie, że pierwszy moment rozkładu ładunku całej cząsteczki jest równy zeru w danej geometrii.
Przykłady rozwiązane
1. CO₂ i H₂O
Rozwiązanie
CO₂ jest liniowy, więc dwa dipole C=O się znoszą. H₂O jest kątowe, dlatego dipole O–H dają moment netto.
2. BF₃
Rozwiązanie
Trzy równoważne wiązania B–F są polarne, ale geometria trygonalna płaska jest symetryczna: cząsteczka ma zerowy moment dipolowy.
3. XeF₄
Rozwiązanie
Dwie pary wolne nie wystarczają do stwierdzenia polarności. W geometrii płaskiej kwadratowej dipole Xe–F znoszą się.