Molekylär polaritet

En molekyls polaritet avgörs inte genom att bara räkna polära bindningar. Man måste känna geometrin och summera alla bindningsdipoler som vektorer; symmetrin kan få dem att ta ut varandra eller lämna ett nettodipolmoment.

Molekylär polaritet är en vektorsumma

Först: en bindning kan ha en dipol

När två bundna atomer har olika elektronegativitet förskjuts bindningens elektrontäthet mot den atom som drar starkare i elektronerna. Då uppstår partiella laddningar δ+ och δ− och ett bindningsdipolmoment. Skillnaden i elektronegativitet är användbar som första vägledning, men det finns ingen universell gräns där en bindning plötsligt går från kovalent till jonisk.

Sedan: dipolerna måste adderas med riktning

Ett dipolmoment är en vektor. Två polära bindningar kan därför ingå i en opolär molekyl om symmetrin gör att vektorerna tar ut varandra. I CO₂ är de två C=O-dipolerna lika stora och motsatt riktade i en linjär geometri; i H₂O hindrar den vinklade formen denna utsläckning.

CO₂H₂OOCOutsläckning genom symmetriHOHnetto molekylärt dipolmoment
Bindningsdipoler måste summeras som vektorer Molekylens form avgör om bindningsdipolerna tar ut varandra eller ger en resultant.

Geometrin kan ändra resultatet helt

Symmetriska molekyler med polära bindningar

BF₃ är trigonalplan. Varje B–F-bindning är polär, men de tre vektorerna ligger 120° från varandra och deras summa är noll i den idealiserade molekylen. CF₄ visar samma princip i tre dimensioner: fyra likvärdiga C–F-dipoler tar ut varandra i en tetraedrisk geometri.

Fria elektronpar och olika substituenter bryter symmetrin

NH₃ är trigonalpyramidal eftersom kväve har ett fritt elektronpar; de tre N–H-dipolerna tar inte ut varandra. I CH₂Cl₂ är geometrin ungefär tetraedrisk, men substituenterna är inte likvärdiga, så vektorsumman blir inte heller noll.

Dipolmoment, polariserbarhet och intermolekylära krafter

Ett permanent dipolmoment anges ofta i debye (D) och beror både på laddningsseparationen och avståndet mellan laddningarna. Det ska inte förväxlas med polariserbarhet, som beskriver hur lätt elektronmolnet kan deformeras. En opolär molekyl som I₂ kan vara starkt polariserbar.

Polaritet påverkar intermolekylära krafter men är inte den enda faktorn. Storlek, polariserbarhet och möjlighet till vätebindning spelar också roll. Därför är ”lika löser lika” en användbar första tumregel för löslighet, men inte en allmän lag.

bindningsdipolermolekylärt dipolmomentvektorsumma, inte summa av absoluta storheter
Symmetri kopplar lokala bindningar till molekylens totala polaritet

En säker analysmetod

  1. Rita en rimlig Lewisstruktur och identifiera elektrondomänerna.
  2. Bestäm molekylgeometrin, inte bara elektrondomängeometrin.
  3. Markera ungefärlig riktning för varje bindningsdipol.
  4. Kontrollera om symmetrin tvingar vektorerna att ta ut varandra.
  5. Om de inte gör det, ange riktningen för det resulterande dipolmomentet.

Arbetsgången undviker det klassiska felet att avgöra molekylär polaritet enbart genom att se om polära bindningar finns.

Dipolmomentet är en mätbar vektor

För två separerade laddningar ±q är dipolmomentets storlek μ = qr. I en molekyl är laddningsfördelningen kontinuerlig, men vektoridén är densamma: dipolmomentet beskriver den rumsliga förskjutningen mellan positiv och negativ laddning.

Dipolmoment anges ofta i debye (D). HCl är polärt eftersom elektrontätheten är förskjuten mot Cl. CO₂ har lokala C=O-bindningsdipoler, men det totala molekylära dipolmomentet är noll på grund av symmetrin.

En molekyl med μ = 0 kan ändå vara starkt polariserbar och ha betydande dispersionskrafter. ”Opolär” betyder därför inte att elektrontätheten är jämnt fördelad överallt.

Symmetri ger ett snabbt polaritetstest

Geometri / exempelEkvivalenta yttre atomer?Nettodipol?
Linjärt CO₂JaNej
Trigonalplanart BF₃JaNej
Tetraedriskt CCl₄JaNej
Vinklat H₂OJa, men geometrin tillåter inte fullständig utsläckningJa
Trigonalpyramidalt NH₃Ja, men det fria elektronparet bryter utsläckningenJa
Tetraedriskt CH₂Cl₂NejJa

Det här är inte en tabell som ska memoreras. Den fysikaliska frågan är om symmetrin tvingar vektorsumman av bindningsdipolerna till noll.

Molekylväljare

Polaritet, vätskor och löslighet

Polära lösningsmedel kan stabilisera polära molekyler genom dipol–dipolinteraktioner, och joner stabiliseras särskilt av jon–dipolinteraktioner. Det ligger bakom tumregeln ”lika löser lika”, men regeln är bara kvalitativ.

Stora opolära delar, vätebindningsdonatorer och -acceptorer, molekylstorlek och entropi spelar också roll. Etanol blandas väl med vatten tack vare OH-gruppen, medan längre alkoholer blir gradvis mindre vattenlösliga när kolvätedelen växer.

Elektrostatisk potential och konformation

Kartor över elektrostatisk potential visar var en molekyl är relativt elektronrik eller elektronfattig. CO₂ kan därför ha elektronrika syreändar och ett mer elektronfattigt kolcentrum samtidigt som det totala dipolmomentet är noll.

Flexibla molekyler har inte heller alltid ett enda fast dipolmoment. Rotation kring enkelbindningar ändrar riktningen på lokala bindningsdipoler, så olika konformationer kan ha olika nettomoment. I lösning kan det uppmätta värdet vara ett medelvärde över många konformationer.

Lösta övningar

Övning 1 — Är CO₂ polärt?

Nej. Varje C=O-bindning är polär, men molekylen är linjär. De två dipolvektorerna är lika stora och motsatt riktade, så deras vektorsumma är noll.

Övning 2 — H₂O och CO₂ har polära bindningar. Varför har bara H₂O ett nettodipolmoment?

H₂O är vinklad på grund av två fria elektronpar på syre. O–H-dipolerna står i vinkel och kan inte ta ut varandra; i linjär CO₂ gör de det.

Övning 3 — BF₃ eller NH₃: vilken molekyl är polär?

NH₃. BF₃ är trigonalplan och symmetrisk, så de tre B–F-dipolerna tar ut varandra. NH₃ är trigonalpyramidal och har ett nettodipolmoment mot kväveområdet.