Polární a nepolární molekuly jsou dvě široké třídy molekul. Polarita popisuje rozložení elektrického náboje kolem molekuly. Náboj je v nepolární molekule rozložen rovnoměrně, ale v polární molekule nerovnoměrně. Jinými slovy, polární molekula má oblasti s částečným nábojem.
Představujeme příklady polárních a nepolárních molekul, podíváme se na to, jak polarita souvisí s iontovými a kovalentními vazbami a jak lze polaritu využít k předpovědi, které molekuly se budou míchat.
Polární molekuly
Polární molekula má dipól, kdy část molekuly má částečný kladný náboj a část částečný záporný náboj. Polární molekula má asymetrický tvar, osamělý elektronový pár nebo centrální atom vázaný na další atomy s různými hodnotami elektronegativity. Polární molekula obvykle obsahuje iontové nebo polární kovalentní vazby. Mezi příklady polárních molekul patří např:
- Voda – H2O
- Amoniak – NH3
- Dioxid siřičitý – SO2
- Sírovodík – H2S
- Oxid uhelnatý – CO
- Ozón – O3
- Kyselina fluorovodíková – HF (a jiné molekuly s jedním H)
- Etanol – C2H6O (a další alkoholy s OH na jednom konci)
- Sukróza – C12H22O11 (a další cukry s OH skupinami)
Polární molekuly jsou často hydrofilní a rozpustné v polárních rozpouštědlech. Polární molekuly mají často vyšší teploty tání než nepolární molekuly s podobnou molární hmotností. To je způsobeno mezimolekulárními silami mezi polárními molekulami, například vodíkovou vazbou.
Nepolární molekuly
Nepolární molekuly vznikají buď tehdy, když jsou elektrony mezi atomy v molekule rozděleny rovnoměrně, nebo když je uspořádání elektronů v molekule symetrické, takže se dipólové náboje vzájemně vyruší. Mezi příklady nepolárních molekul patří:
- Každý ze vzácných plynů:
- Každý z homonukleárních dvouatomových prvků: He, Ne, Ar, Kr, Xe (ačkoli technicky vzato se jedná o atomy, nikoli o molekuly): H2, N2, O2, Cl2 (Jsou to skutečně nepolární molekuly.)
- Dioxid uhličitý – CO2
- Trifluorid boru – BF3
- Benzen – C6H6
- Tetrachlorid uhličitý – CCl4
- Metan – CH4
- Etylen – C2H4
- Uhlovodíkové kapaliny, jako je benzín a toluen
- Většina organických molekul, až na výjimky (jako jsou alkoholy a cukry)
Nepolární molekuly mají některé společné vlastnosti. Bývají nerozpustné ve vodě při pokojové teplotě, hydrofobní a schopné rozpouštět jiné nepolární sloučeniny.
Nepolární molekuly s polárními vazbami
Polarita závisí na relativních hodnotách elektronegativity mezi dvěma atomy tvořícími chemickou vazbu. Dva atomy se stejnými hodnotami elektronegativity tvoří kovalentní vazbu. Elektrony jsou mezi atomy v kovalentní vazbě rozděleny rovnoměrně, takže vazba je nepolární. Atomy s mírně odlišnými hodnotami elektronegativity tvoří polární kovalentní vazby. Pokud jsou hodnoty elektronegativity mezi atomy velmi rozdílné, vznikají iontové vazby. Iontové vazby jsou vysoce polární.
Často je polarita vazeb stejná jako polarita molekuly. Existují však nepolární molekuly s polárními vazbami a polární molekuly s nepolárními vazbami! Například trifluorid boru je nepolární molekula, která obsahuje polární kovalentní vazby. BF3 je trigonální rovinná molekula, která rovnoměrně rozděluje elektrický náboj kolem molekuly, přestože vazba mezi atomy boru a fluoru je polární. Ozon je příkladem polární molekuly složené z nepolárních kovalentních vazeb. Chemické vazby mezi molekulami kyslíku v O3 jsou čistě kovalentní, protože atomy mají stejné hodnoty elektronegativity. Molekula ozonu má však ohnutý tvar (podobně jako voda) a její elektrony netráví stejný čas se všemi třemi atomy. Prostřední atom má částečný kladný elektrický náboj, zatímco oba vnější atomy mají každý částečný záporný náboj.
Polarita a mísitelnost
Polaritu můžete použít k předpovědi, zda jsou dvě sloučeniny mísitelné (budou se mísit a vytvoří roztok). Platí pravidlo, že „podobné se rozpouští podobně“. To znamená, že polární rozpouštědla rozpouštějí polární roztoky, zatímco nepolární rozpouštědla rozpouštějí nepolární roztoky. To vysvětluje, proč jsou alkohol a voda zcela mísitelné (oba jsou polární) a proč se olej a voda nemísí (nepolární s polárním).
Sloučenina s mezipolaritou mezi jednou molekulou a druhou může fungovat jako prostředník k rozpouštění chemické látky v rozpouštědle, když je normálně nerozpustná. Chcete-li například smíchat iontovou nebo polární sloučeninu s organickým nepolárním rozpouštědlem, můžete ji nejprve rozpustit v ethanolu. Ethanol je jen mírně polární, ale často stačí k rozpuštění rozpuštěné látky. Po rozpuštění polární molekuly smíchejte roztok ethanolu s nepolárním organickým rozpouštědlem, například xylenem nebo benzenem.
- Ingold, C. K.; Ingold, E. H. (1926). „The Nature of the Alternating Effect in Carbon Chains“ (Povaha střídavého účinku v uhlíkových řetězcích). Part V. A Discussion of Aromatic Substitution with Special Reference to Respective Roles of Polar and Nonpolar Dissociation; and a Further Study of the Relative Directive Efficiencies of Oxygen and Nitrogen“. J. Chem. Soc.: 1310-1328. doi:10.1039/jr9262901310
- Mack, Kenneth M.; Muenter, J. S. (1977). „Stark and Zeeman properties of ozone from molecular beam spectroscopy“. Journal of Chemical Physics. 66 (12): 5278-5283. doi:10.1063/1.433909
- Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3. vydání). Oxford University Press. ISBN 0801403332.
- Ziaei-Moayyed, Maryam; Goodman, Edward; Williams, Peter (November 1,2000). „Elektrické vychylování polárních proudů kapalin: A Misunderstood Demonstration“. Journal of Chemical Education. 77 (11): 1520. doi:10.1021/ed077p1520
.