Полярность молекул
Молекула полярна, если распределение её заряда имеет ненулевой электрический дипольный момент. Одних полярных связей недостаточно: дипольные моменты связей — векторы, и трёхмерная геометрия определяет, взаимно уничтожатся они или дадут ненулевую сумму. Поэтому линейная молекула CO₂ неполярна несмотря на полярные связи C=O, а угловая H₂O имеет результирующий диполь.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Полярность связи начинается с неравного притяжения электронов
Разность электроотрицательностей смещает общую электронную плотность к более электроотрицательному атому. Этот конец обозначают δ−, другой δ+. Это частичные заряды, а не полные ионные заряды и не степени окисления. Дипольный момент связи зависит и от величины разделённого заряда, и от расстояния, поэтому одна только Δχ не задаёт измеряемый μ.
Геометрия определяет векторную сумму
В CO₂ два одинаковых диполя C=O направлены противоположно и в линейной геометрии взаимно уничтожаются. В H₂O угол H–O–H около 104,5°, поэтому диполи не противоположны и дают результирующий момент. Аналогично высокая симметрия может обнулять сумму в BF₃, CH₄ и SF₆, если внешние атомы эквивалентны.
Неподелённые пары меняют симметрию
Неподелённые пары изменяют геометрию электронных областей и часто разрушают симметрию, необходимую для компенсации диполей. NH₃ тригонально-пирамидален и полярен, а BF₃ плоско-треуголен и неполярен. Но наличие неподелённых пар само по себе не гарантирует полярность: XeF₄ имеет две противоположные неподелённые пары и квадратноплоскую симметрию, поэтому диполи Xe–F компенсируются.
Дипольный момент и межмолекулярные свойства
Для двух точечных зарядов ±q справедливо μ=qr. В реальной молекуле заряд распределён непрерывно, а дипольный момент часто выражают в дебаях. Полярность влияет на диполь-дипольные взаимодействия, ориентацию в электрическом поле, диэлектрические свойства и часто на растворимость или температуру кипения. Но размер молекулы, дисперсионные силы и водородные связи могут быть не менее важны.
Нулевой общий диполь не означает равномерный заряд
В CO₂ кислородные концы электронно богаче, а область углерода беднее, хотя общий μ равен нулю. Карты электростатического потенциала показывают такие локальные различия. У гибких молекул вращение вокруг одинарных связей меняет направления локальных диполей, поэтому измеряемый дипольный момент может отражать среднее по множеству конформаций.
Задачи
BF₃
Каждая связь B–F полярна. Почему BF₃ неполярен?
Решение: Три одинаковых дипольных вектора расположены в плоскости под углами 120° и в сумме дают ноль.
NH₃ и BF₃
Какая молекула полярна и какое геометрическое различие важно?
Решение: NH₃ полярен из-за тригонально-пирамидальной формы; плоско-треугольная симметрия BF₃ компенсирует диполи.
XeF₄
Делают ли две неподелённые пары XeF₄ полярным?
Решение: Нет. Они расположены напротив друг друга, а четыре связи Xe–F образуют симметричный квадрат, поэтому общий диполь равен нулю.