สภาพขั้วของโมเลกุล

สภาพขั้วของโมเลกุลไม่ได้ตัดสินจากการมีพันธะขั้วเพียงอย่างเดียว ไดโพลของพันธะแต่ละเส้นเป็นเวกเตอร์ และไดโพลรวมของโมเลกุลขึ้นกับผลรวมเวกเตอร์ในเรขาคณิตสามมิติจริง

ขั้นแรก: ระบุขั้วของพันธะ

ความต่างอิเล็กโทรเนกาติวิตีทำให้ความหนาแน่นอิเล็กตรอนร่วมเอนไปทางอะตอมหนึ่ง เกิดปลาย δ⁺ และ δ⁻ กับไดโพลพันธะ แต่ |Δχ| เป็นเพียงแนวทาง ไม่ใช่เส้นแบ่งตายตัวระหว่างพันธะไอออนิกและโคเวเลนต์

ขั้นที่สอง: หาเรขาคณิตจริง

CO₂ เป็นเส้นตรง ไดโพล C=O สองด้านมีขนาดใกล้เท่ากันและทิศตรงข้ามจึงหักล้างกัน H₂O เป็นรูปงอเพราะ O มีคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวสองคู่ ทำให้ไดโพล O–H ไม่หักล้างหมด BF₃ เป็นสามเหลี่ยมระนาบสมมาตร ส่วน NH₃ เป็นพีระมิดฐานสามเหลี่ยมและมีขั้ว

คำว่าสมมาตรต้องครบเงื่อนไข

เรขาคณิตสมมาตรจะทำให้ไดโพลหักล้างก็ต่อเมื่อพันธะที่เกี่ยวข้องมีขนาดและการจัดวางสมมาตรด้วย CH₂Cl₂ มีโครงประมาณเตตระฮีดรัล แต่หมู่แทนที่ไม่เหมือนกันทั้งสี่ตำแหน่ง จึงไม่สามารถหักล้างเวกเตอร์ทั้งหมด

จากสภาพขั้วไปสมบัติของสาร

โมเลกุลมีขั้วสามารถมีแรงดึงดูดไดโพล–ไดโพลถาวร และถ้ามี O–H, N–H หรือ F–H ในสภาพแวดล้อมเหมาะสมอาจเกิดพันธะไฮโดรเจน อย่างไรก็ดี จุดเดือดหรือการละลายไม่ได้กำหนดด้วยป้ายขั้วหรือไม่มีขั้วเพียงอย่างเดียว ขนาดและความสามารถเกิดโพลาไรซ์มีผลด้วย

วิธีคิดแบบเวกเตอร์

วาดลูกศรไดโพลตามพันธะ กำหนดทิศในรูปสามมิติ แล้วรวมองค์ประกอบเวกเตอร์ ถ้าผลรวมทุกแกนเป็นศูนย์ โมเลกุลอาจไม่มีไดโพลถาวรแม้แต่ละพันธะจะมีขั้ว

ความหมายเชิงฟิสิกส์ของโมเมนต์ไดโพล

โมเมนต์ไดโพลรวม μ ขึ้นกับทั้งการแยกประจุและระยะทาง ดังนั้นพันธะสองชนิดที่มี Δχ ใกล้กันไม่จำเป็นต้องมีไดโพลเท่ากัน ค่า μ สามารถวัดจากการทดลองและคำนวณจากโครงสร้างอิเล็กทรอนิกได้

การไม่มีไดโพลถาวรไม่ได้หมายความว่าไม่มีแรงระหว่างโมเลกุล โมเลกุลไม่มีขั้วยังเกิดไดโพลชั่วขณะและแรง แรงกระจายลอนดอน ได้ โดยเฉพาะโมเลกุลใหญ่ที่โพลาไรซ์ง่าย

ไอโซเมอร์ช่วยเห็นบทบาทของเรขาคณิต

ไอโซเมอร์ cis และ trans อาจมีพันธะชนิดเดียวกัน แต่การวางทิศของไดโพลต่างกัน ทำให้ไดโพลรวมต่างกัน จึงไม่สามารถตัดสินสภาพขั้วจากสูตรโมเลกุลอย่างเดียว ต้องทราบโครงสร้างและการจัดวางในอวกาศ

ตัวอย่างเพิ่มเติมของการหักล้างไดโพล

BF₃ มีพันธะ B–F ที่มีขั้ว แต่สามพันธะวางห่างกัน 120° ในระนาบเดียวและมีสมมาตร จึงหักล้างเวกเตอร์ได้ ใน NH₃ การมีคู่โดดเดี่ยวทำให้รูปทรงเป็นพีระมิดและเวกเตอร์ N–H ไม่หักล้างหมด

ตัวอย่างเหล่านี้แสดงว่าตารางค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีเพียงอย่างเดียวไม่พอ ต้องรู้ทั้งชนิดพันธะ จำนวนคู่โดดเดี่ยว และรูปทรงสามมิติก่อนสรุปว่าโมเลกุลมีไดโพลสุทธิหรือไม่

แบบฝึกหัด

CO₂

C=O มีขั้วแล้ว CO₂ ต้องมีขั้วหรือไม่?

เฉลย: ไม่จำเป็น โครงสร้างเชิงเส้นทำให้ไดโพลเท่ากันและตรงข้ามหักล้างกัน

NH₃

NH₃ มีไดโพลสุทธิหรือไม่?

เฉลย: มี เพราะโครงสร้างพีระมิดทำให้ไดโพล N–H ไม่หักล้างหมด

CH₂Cl₂

เหตุใดรูปทรงเตตระฮีดรัลจึงยังมีขั้วได้?

เฉลย: เพราะพันธะทั้งสี่ไม่เหมือนกันและผลรวมเวกเตอร์ไม่เป็นศูนย์